RU2199607C2 - Method of treatment of zirconium alloy - Google Patents

Method of treatment of zirconium alloy Download PDF

Info

Publication number
RU2199607C2
RU2199607C2 RU2000118063/02A RU2000118063A RU2199607C2 RU 2199607 C2 RU2199607 C2 RU 2199607C2 RU 2000118063/02 A RU2000118063/02 A RU 2000118063/02A RU 2000118063 A RU2000118063 A RU 2000118063A RU 2199607 C2 RU2199607 C2 RU 2199607C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
film
oxidation
oxide film
oxide
zirconium
Prior art date
Application number
RU2000118063/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000118063A (en
Inventor
А.В. Матвеев
Т.А. Белых
В.И. Перехожев
Л.П. Синельников
А.В. Кружалов
Ф.Г. Нешов
А.Г. Трифанов
Original Assignee
Государственное унитарное дочернее предприятие "Свердловский филиал научно-исследовательского и конструкторского института электротехники"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное унитарное дочернее предприятие "Свердловский филиал научно-исследовательского и конструкторского института электротехники" filed Critical Государственное унитарное дочернее предприятие "Свердловский филиал научно-исследовательского и конструкторского института электротехники"
Priority to RU2000118063/02A priority Critical patent/RU2199607C2/en
Publication of RU2000118063A publication Critical patent/RU2000118063A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2199607C2 publication Critical patent/RU2199607C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

FIELD: protection of articles used in nuclear power such as tubes of fuel channels and fuel-element jackets against thermal corrosion. SUBSTANCE: article made from zirconium alloy is subjected to heat treatment and film of zirconium dioxide free from through pores and microcracks is formed on surface by any method; then one of chemical elements beginning with fifth group and higher is implanted in film. Ion implantation is effected at energy ensuring length of ion beam path not exceeding thickness of oxide film. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится данное изобретение, - ядерная энергетика. Из циркониевых сплавов изготавливают следующие изделия [1, с.38]: особо тонкостенные трубы для оболочек твэлов, тонкостенные трубы для каналов водоводяных и кипящих реакторов; прутки для пробок-заглушек твэлов и прутки больших диаметров для массивных концевых изделий кассет-сборок; листы для изготовления кожухов кассет и каландровых труб; листы и ленты для дистанционирующих решеток и других деталей кассет; проволоку для тех же целей, прутки и трубы разных размеров для крепления и подвески твэлов в кассетах сборках, а также другие детали, находящиеся в активной зоне реактора. Все эти элементы контактируют либо с водным теплоносителем при температуре 265-288oС [2, с. 14,15], либо с газовым - азотно-гелиевая смесь с примесью СО, СО2, Н2О [1, с.49], и подвергаются высокотемпературной, в дальнейшем термической коррозии.The technical field to which this invention relates is nuclear energy. The following products are made of zirconium alloys [1, p. 38]: especially thin-walled pipes for cladding of fuel elements, thin-walled pipes for channels of water-water and boiling reactors; rods for fuel plug caps and rods of large diameters for massive end products of cassette assemblies; sheets for the manufacture of casings of cassettes and calender tubes; sheets and tapes for spacing grids and other parts of cassettes; a wire for the same purposes, rods and pipes of different sizes for mounting and suspension of fuel rods in assembly cassettes, as well as other parts located in the reactor core. All these elements are in contact either with an aqueous coolant at a temperature of 265-288 o C [2, p. 14.15], or with a gas - nitrogen-helium mixture with an admixture of CO, СО 2 , Н 2 О [1, p. 49], and they undergo high-temperature, later thermal corrosion.

Термическая коррозия циркониевых сплавов характеризуется следующими факторами [1, с. 149]. На поверхности оксидной пленки происходит адсорбция молекул окислителя (воды, окислительные компоненты примеси газовой атмосферы, такие как О2, СО, CO2 и т.д.), которые, захватывая электроны, образуют ионы кислорода (и водорода в случае взаимодействия с водой). Ионы кислорода диффундируют под действием градиента электрохимического потенциала к границе раздела фаз металл - оксид, электроны - в противоположном направлении [3, с. 140] , в результате чего на границе раздела металл - оксид происходит образование молекул ZrO2 и достраивание т.о. оксидного слоя.Thermal corrosion of zirconium alloys is characterized by the following factors [1, p. 149]. On the surface of the oxide film, adsorption of oxidizing molecules (water, oxidizing components of the gas atmosphere, such as O 2 , CO, CO 2 , etc.) takes place, which, capturing electrons, form oxygen ions (and hydrogen in the case of interaction with water) . Oxygen ions diffuse under the action of the gradient of the electrochemical potential to the metal – oxide interface, and electrons in the opposite direction [3, p. 140], resulting in the formation of ZrO 2 molecules at the metal-oxide interface and the completion of oxide layer.

Образующаяся оксидная пленка состоит, в основном, из моноклинной двуокиси циркония и является достаточно плотной и хорошо сцепленной с поверхностью металла. Кинетика окисления циркония и его сплавов не подчиняется какому-либо одному закону, вернее, не может быть описана одним кинетическим уравнением. Начальный период окисления обычно описывается параболическим уравнением, выражающим тот факт, что скорость роста пленки обратно пропорциональна ее толщине. Теоретически это отвечает вышеупомянутой [3] диффузии кислорода сквозь решетку диоксида циркония по анионным вакансиям. Математическое выражение параболического закона: Δm = c1t0,5, где Δm - привес (увеличение массы на единицу площади); c1 - константа параболического окисления; t - время. При достижении некоторой критической толщины пленки (зависящей от вида сплава, термической обработки, условий окислительной среды, температуры, облучения и т.д.) в кинетике коррозионного процесса наступает явление перелома или перехода к линейному закону. Уравнение кинетики принимает вид: Δm = c2t, где с2 - константа линейного окисления. Пленка обнаруживает при этом микропоры разных размеров, продольные и поперечные микротрещины. Линейный характер кинетики объясняется тем, что пленка сохраняет прилегающий к поверхности металла тончайший слой, не поврежденный порами и трещинами, диоксида циркония. Этот барьерный слой постоянен по толщине, поэтому и постоянен поток ионов кислорода, поступающих к границе металл - оксид, а следовательно, и скорость окисления при линейной кинетике.The resulting oxide film consists mainly of monoclinic zirconium dioxide and is sufficiently dense and well adhered to the metal surface. The kinetics of the oxidation of zirconium and its alloys does not obey any one law, or rather, cannot be described by a single kinetic equation. The initial oxidation period is usually described by a parabolic equation expressing the fact that the film growth rate is inversely proportional to its thickness. Theoretically, this corresponds to the aforementioned [3] diffusion of oxygen through the lattice of zirconium dioxide over anionic vacancies. The mathematical expression of the parabolic law: Δm = c 1 t 0.5 , where Δm is the gain (increase in mass per unit area); c 1 is the parabolic oxidation constant; t is time. Upon reaching a certain critical film thickness (depending on the type of alloy, heat treatment, conditions of the oxidizing medium, temperature, irradiation, etc.), the phenomenon of fracture or a transition to a linear law occurs in the kinetics of the corrosion process. The kinetics equation takes the form: Δm = c 2 t, where c 2 is the linear oxidation constant. In this case, the film detects micropores of various sizes, longitudinal and transverse microcracks. The linear nature of the kinetics is explained by the fact that the film retains a thin layer adjacent to the metal surface, not damaged by pores and cracks, of zirconium dioxide. This barrier layer is constant in thickness; therefore, the flow of oxygen ions arriving at the metal – oxide interface is constant, and, consequently, the oxidation rate during linear kinetics.

В допереломный период окисления пленка хорошо сцеплена с металлом, черного цвета, блестящая, гладкая. Ей свойственны высокие защитные свойства. Такая защитная пленка является достехиометричной. Ее формула ZrO2-x, где х≤0,05. При переломе цвет пленки становится серым, затем по мере увеличения толщины белым. Пленка этого вида является стехиометричной, она становится рыхлой, осыпающейся. Эту стадию коррозии называют разрушением.In the pre-fracture period of oxidation, the film is well adhered to the metal, black in color, shiny, smooth. She is characterized by high protective properties. Such a protective film is pre-stoichiometric. Its formula is ZrO 2-x , where x≤0.05. When a fracture occurs, the color of the film becomes gray, then with increasing thickness, white. The film of this type is stoichiometric, it becomes loose, crumbling. This stage of corrosion is called failure.

Известен традиционный способ повышения коррозионной стойкости циркониевых сплавов [1, с.84,85], аналог - заключающийся в том, что изделия из циркониевого сплава (например, трубы 82,7•6,5 мм из сплава циркалой-2) подвергают определенной технологической обработке - в данном случае холодной прокатке, а затем создают оксидную пленку на поверхности изделия, например, путем автоклавирования. При этой процедуре сформированная оксидная пленка отвечает допереломной стадии кинетики. Это заключение следует из того, что после коррозионных испытаний образцов труб в паре при 400oС в течение 72 ч (стандартная процедура автоклавирования) образец имеет однородную черную блестящую оксидную пленку и привес не более 22 мг/дм2 (толщина пленки соответствующая 1,5 мкм) для нагартованных труб из циркалоя-2 и сплава Н-2,5 (Zr-2,5%Nb).There is a traditional method of increasing the corrosion resistance of zirconium alloys [1, p. 84.85], an analogue consisting in the fact that products made of zirconium alloy (for example, pipes 82.7 • 6.5 mm from zirkaloy-2 alloy) are subjected to a certain technological processing - in this case, cold rolling, and then create an oxide film on the surface of the product, for example, by autoclaving. In this procedure, the formed oxide film corresponds to the pre-fracture stage of kinetics. This conclusion follows from the fact that after corrosion testing of pipe samples in pairs at 400 o C for 72 hours (standard autoclaving procedure), the sample has a uniform black shiny oxide film and a gain of not more than 22 mg / dm 2 (film thickness corresponding to 1.5 μm) for caged pipes made of zircaloy-2 and alloy N-2.5 (Zr-2.5% Nb).

Недостаток данного способа заключается в том, что при формировании таким образом защитной оксидной пленки коррозионная стойкость термообработанных труб ухудшается: привес достигает 35, а не 22 мг/дм2 (толщина пленки соответственно 2 мкм) для термообработанного сплава Н-2,5 [1, с.90], а это ускоряет наступление перелома в кинетике и тем самым повышает скорость окисления, как показано в работе [4].The disadvantage of this method is that when the protective oxide film is thus formed, the corrosion resistance of the heat-treated pipes deteriorates: the gain reaches 35, and not 22 mg / dm 2 (film thickness, respectively, 2 μm) for the heat-treated alloy N-2.5 [1, p.90], and this accelerates the onset of a fracture in kinetics and thereby increases the oxidation rate, as shown in [4].

Наиболее близким техническим решением для предлагаемого изобретения, взятым за прототип, является "способ изготовления деталей из сплава циркония для атомных реакторов" [5] . Способ основан на известном принципе поверхностной химико-термической обработки, во многих случаях улучшающей эррозионную и коррозионную стойкость сплавов. Способ заключается в том, что: 1) деталь подвергают конечной пластической обработке; 2) на ее поверхности формируют покрытие толщиной 0,1-0,01 мкм, осаждая из газовой фазы один или более элементов 5 и/или 6 группы; 3) после формирования покрытия на подложке из сплава циркония ее подвергают диффузионной обработке в неактивной среде с целью диффузии элемента, образующего покрытие, в сплав циркония; 4) сплав циркония с покрытием обрабатывают высокотемпературным водяным паром с целью формирования оксидного покрытия. The closest technical solution for the present invention, taken as a prototype, is a "method of manufacturing parts from a zirconium alloy for atomic reactors" [5]. The method is based on the well-known principle of surface chemical-thermal treatment, which in many cases improves the erosion and corrosion resistance of alloys. The method consists in the following: 1) the part is subjected to final plastic processing; 2) a coating with a thickness of 0.1-0.01 microns is formed on its surface, precipitating one or more elements of group 5 and / or 6 from the gas phase; 3) after the coating is formed on a substrate of a zirconium alloy, it is subjected to diffusion treatment in an inactive medium in order to diffuse the element forming the coating into a zirconium alloy; 4) the coated zirconium alloy is treated with high temperature water vapor to form an oxide coating.

Во-первых, недостаток данного способа заключается в том, что процедура реализации способа достаточно сложна - она насчитывает четыре технологические стадии. Firstly, the disadvantage of this method is that the procedure for implementing the method is quite complicated - it has four technological stages.

Во-вторых, недостаток данного способа заключается в том, что после формирования покрытия на подложке из сплава циркония ее подвергают диффузионной обработке в неактивной среде с целью диффузии элементов, из которого образовано покрытие. В этом случае неявно предполагается термическая обработка, включающая выдержку изделия в течение определенного промежутка времени при определенной температуре. Однако при такого рода процедуре происходит изменение структуры, фазового состава сплава и возможно ухудшение как механических, так и коррозионных свойств. Режим термической обработки - температура отжига и длительность выдержки циркониевых изделий строго регламентирован техническими условиями на изделие и не может изменяться произвольно. Так, например, для канальных труб из сплава Zr-2,5%Nb для реакторов РБМК допустимы исключительно три режима термической обработки [6, с.48]: отжиг 540oС - 5 ч (отоженное состояние, так называемое штатное); старение при 515oС - 24 ч (ТМО-1) и старение при 530-540oС - 24 ч (ТМО-2).Secondly, the disadvantage of this method is that after the coating is formed on a zirconium alloy substrate, it is subjected to diffusion treatment in an inactive medium in order to diffuse the elements from which the coating is formed. In this case, heat treatment is implicitly assumed, which includes holding the product for a certain period of time at a certain temperature. However, with this kind of procedure, a change in the structure, phase composition of the alloy occurs, and both mechanical and corrosive properties may deteriorate. The heat treatment mode - the annealing temperature and the exposure time of zirconium products is strictly regulated by the technical conditions for the product and cannot be changed arbitrarily. So, for example, for channel pipes made of Zr-2.5% Nb alloy for RBMK reactors, only three heat treatment modes are permissible [6, p. 48]: annealing at 540 o С - 5 hours (annealed state, the so-called regular state); aging at 515 o C - 24 hours (TMO-1) and aging at 530-540 o C - 24 hours (TMO-2).

Однако из прототипа не следует, что при данных конкретных режимах отжига происходит диффузионное растворение покрытия, а значит, технический результат - повышение коррозионной стойкости изделий при штатных режимах термообработки в этом случае недостижим. However, it does not follow from the prototype that under these specific annealing conditions, diffusion dissolution of the coating occurs, which means that the technical result is an increase in the corrosion resistance of products under standard heat treatment conditions in this case is unattainable.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого изобретения, состоит, во-первых, в упрощении способа - исключается, как минимум, одна технологическая стадия, а именно - диффузионная обработка покрытия в неактивной среде с целью диффузии элемента в циркониевый сплав, а во-вторых, в повышении коррозионной стойкости изделий из циркониевого сплава, уже подвергнутых термомеханической обработке. The technical result obtained by the implementation of the invention consists, firstly, in simplifying the method — at least one technological stage is excluded, namely, diffusion treatment of the coating in an inactive medium in order to diffuse the element into a zirconium alloy, and secondly, in increasing the corrosion resistance of products made of zirconium alloy, already subjected to thermomechanical processing.

Указанный технический результат достигается тем, что (1) изделие из циркониевого сплава подвергают термомеханической обработке, формируют любым способом на поверхности изделия оксидную пленку этого же сплава, отличающийся тем, что в оксидную пленку путем ионного внедрения вводят ионы одного из элементов пятой группы или выше, причем указанное внедрение осуществляют при энергии, обеспечивающей длину пробега пучка ионов предпочтительно не более толщины оксидной пленки; (2) способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионов внедрения используют ионы азота начиная с флюенса 1015 см-2 и выше.The specified technical result is achieved in that (1) the product from the zirconium alloy is subjected to thermomechanical treatment, an oxide film of the same alloy is formed on the surface of the product in any way, characterized in that ions of one of the elements of the fifth group or higher are introduced into the oxide film by ion implantation, moreover, the specified implementation is carried out at an energy providing the mean free path of the ion beam, preferably not more than the thickness of the oxide film; (2) the method according to claim 1, characterized in that nitrogen ions are used as interstitial ions starting from a fluence of 10 15 cm -2 and higher.

В описанном выше способе ионному внедрению подвергается не сам металл, а уже сформированная на его поверхности оксидная пленка. Ионным легированием уже сформированной на поверхности металла оксидной пленки можно уменьшить скорость реакции образования оксида, т.е. повысить коррозионную стойкость металла. In the method described above, the ion implantation is not the metal itself, but an oxide film already formed on its surface. By ion doping of an oxide film already formed on the metal surface, the rate of the oxide formation reaction can be reduced, i.e. increase the corrosion resistance of the metal.

В подтверждение сказанного приведем известные аргументы. При окислении металла по реакции:

Figure 00000001

в случае диффузии реагентов через слой образующейся оксидной фазы константа скорости реакции имеет вид [7, с.293 (ф.9.83)]:
Figure 00000002

где R - газовая постоянная;
Т - температура;
b - стехиометрический коэффициент;
е - заряд электрона;
σs - суммарная ионная и электронная составляющие электропроводности оксидной фазы;
tel - число переноса электронов и дырок оксидной фазы;
tion - число переноса анионов и катионов оксидной фазы;
Рin - давление кислорода на границе оксид - металл ("внутреннее");
Рex - давление кислорода на границе оксид - газовая фаза ("наружное").In support of the foregoing, we cite well-known arguments. When oxidizing a metal by reaction:
Figure 00000001

in the case of diffusion of reagents through the layer of the formed oxide phase, the reaction rate constant has the form [7, p. 293 (f.9.83)]:
Figure 00000002

where R is the gas constant;
T is the temperature;
b is the stoichiometric coefficient;
e is the electron charge;
σ s is the total ionic and electronic components of the electrical conductivity of the oxide phase;
t el is the electron and hole transport number of the oxide phase;
t ion is the transport number of anions and cations of the oxide phase;
P in is the oxygen pressure at the oxide - metal interface ("internal");
P ex is the oxygen pressure at the oxide - gas phase boundary ("external").

Кинетикой гетерогенной реакции (1) можно управлять за счет введения примесей в продукт реакции. Действительно, как показано [7, с.313], введение катионной примеси с валентностью меньшей, чем валентность основного металла, приводит к уменьшению константы скорости реакции окисления, если стехиометрия продукта реакции нарушена в сторону избытка неметалла - в данном случае кислорода. Введение в продукт реакции ионов посторонней примеси с валентностью большей, чем валентность иона металла, приводит также к уменьшению константы скорости реакции окисления, если стехиометрия продукта реакции нарушена в сторону избытка металла. В этом случае константа окисления (2) преобразуется к виду [7, с.313 (ф.9.165)]:

Figure 00000003

где: ν 0 O - параметр, входящий в выражение для коэффициента диффузии кислорода;
Figure 00000004
константа равновесия квазиреакции образования кислородных вакансий;
Figure 00000005
концентрация примеси в оксидной фазе;
Figure 00000006
соответствующее давление кислорода соответственно в слое оксида с нарушением стехиометрии и в слое с посторонней примесью.The kinetics of the heterogeneous reaction (1) can be controlled by introducing impurities into the reaction product. Indeed, as shown [7, p. 313], the introduction of a cationic impurity with a valency lower than the valency of the base metal leads to a decrease in the rate constant of the oxidation reaction if the stoichiometry of the reaction product is violated in the direction of excess non-metal — in this case, oxygen. The introduction of foreign impurity ions into the reaction product with a valency greater than the valence of the metal ion also leads to a decrease in the rate constant of the oxidation reaction if the stoichiometry of the reaction product is violated in the direction of excess metal. In this case, the oxidation constant (2) is converted to the form [7, p.313 (f.9.165)]:
Figure 00000003

where: ν 0 O - parameter included in the expression for the diffusion coefficient of oxygen;
Figure 00000004
the equilibrium constant of the quasi-reaction of the formation of oxygen vacancies;
Figure 00000005
impurity concentration in the oxide phase;
Figure 00000006
the corresponding oxygen pressure, respectively, in the oxide layer with violation of stoichiometry and in the layer with an extraneous impurity.

Как видим, действительно в случае механизма переноса частиц по анионным вакансиям, т.е. когда стехиометрия растущей оксидной фазы нарушена в сторону избытка катионов - как это имеет место в случае коррозионной пленки на цирконии, введение в оксидную фазу примесного катиона с большей степенью окисления приводит к быстрому затуханию этого механизма - величина kΔ обратно пропорциональна квадрату концентрации посторонней примеси.As we see, it is valid in the case of the mechanism of particle transfer through anionic vacancies, i.e. when the stoichiometry of the growing oxide phase is violated in the direction of excess cations, as is the case with a corrosion film on zirconium, the introduction of an impurity cation with a higher degree of oxidation into the oxide phase leads to a rapid attenuation of this mechanism - the value of k Δ is inversely proportional to the square of the concentration of extraneous impurities.

Чтобы достичь более заметного эффекта уменьшения скорости окисления, необходимо легировать оксидную пленку, отвечающую стадии допереломного окисления. In order to achieve a more noticeable effect of reducing the oxidation rate, it is necessary to dope an oxide film corresponding to the stage of pre-fracture oxidation.

В этом случае, как сказано выше, пленка является плотной, хорошо сцепленной с металлом, не содержит пор и микротрещин, а диффузия кислорода через нее происходит исключительно в виде ионов. Когда же легированию подвергается пленка, отвечающая послепереломной стадии окисления, эффект уменьшения скорости окисления будет менее заметным, что связано с диффузией кислорода не в ионном, а преимущественно в атомарном виде по порам и микротрещинам в пленке. In this case, as mentioned above, the film is dense, well adhered to the metal, does not contain pores and microcracks, and the diffusion of oxygen through it occurs exclusively in the form of ions. When a film corresponding to the post-critical oxidation stage is subjected to doping, the effect of reducing the oxidation rate will be less noticeable, which is associated with diffusion of oxygen not in the ionic, but mainly in the atomic form along the pores and microcracks in the film.

Способ обработки циркониевых сплавов заключается в следующем. Изделие подвергают отжигу. Затем на изделии формируют пленку диоксида циркония. Уже после этого в полученную пленку ионным внедрением вводят один из элементов начиная с 5 группы и выше. A method of processing zirconium alloys is as follows. The product is annealed. Then, a zirconia film is formed on the article. After this, one of the elements starting from group 5 and above is introduced into the obtained film by ionic incorporation.

Пример осуществления описываемого способа. An example implementation of the described method.

1. Брали трубу с заводским номером 1587 из сплава Zr-2,5% Nb после заключительной термомеханической обработки 2 (ТМО-2), применяемой при изготовлении труб технологических каналов второго блока Игналинской АЭС. Данная обработка заключается в том, что трубу подвергают охлаждению из высокотемпературной области в смеси гелия и аргона, прокатке на размер 88х4 мм и старению при температуре 530-540oС в течение 24 часов. Труба после такой обработки характеризуется более низкой по сравнению со штатной обработкой скоростью радиационной ползучести, но в то же время более высокой скоростью окисления.1. They took a pipe with serial number 1587 from Zr-2.5% Nb alloy after the final thermomechanical treatment 2 (ТМО-2), used in the manufacture of pipes of technological channels of the second unit of the Ignalina NPP. This treatment consists in the fact that the pipe is subjected to cooling from a high temperature region in a mixture of helium and argon, rolling to a size of 88x4 mm and aging at a temperature of 530-540 o C for 24 hours. After such treatment, the pipe is characterized by a lower creep rate than the standard treatment, but at the same time a higher oxidation rate.

2. Затем на образцах заданных размеров, вырезанных из трубы, сформировали оксидные пленки путем термического окисления на воздухе при температуре 400oС, отвечающие различным кинетическим стадиям и обладающие соответственно различными защитными свойствами.2. Then, oxide films were formed on samples of given sizes cut from the pipe by thermal oxidation in air at a temperature of 400 ° C, corresponding to various kinetic stages and correspondingly with different protective properties.

Коррозионные испытания проводили в печи электросопротивления в атмосфере воздуха при температуре 400oС. Точность поддержания температуры составляла±2oС и осуществлялась блоком регулировки Ш-4531. Контроль температуры осуществлялся термоэлектрическим преобразователем типа хромель-алюмель, термо э.д.с. которого измеряли универсальным вольтметром Щ-68003. Показателем скорости коррозии служил либо привес - увеличение массы окислившегося образца, отнесенный к единице площади (мг/см2), либо толщина пленки сформировавшегося оксида, либо цвет оксидной пленки. В первом случае образцы взвешивали на лабораторных весах ВЛР-20 с чувствительностью 0,005 мг. Во втором случае исследовали фотографическое изображение поперечного металлографического шлифа, полученное с помощью металлографического микроскопа при увеличении 160 крат. В третьем случае использовали аппарат макросъемки типа ФМН-2.Corrosion tests were carried out in an electric resistance furnace in an air atmosphere at a temperature of 400 o C. The accuracy of maintaining the temperature was ± 2 o C and was carried out by the control unit Ш-4531. Temperature control was carried out by a chromel-alumel thermoelectric converter, thermo emf. which was measured with a universal voltmeter Щ-68003. An indicator of the corrosion rate was either a gain - an increase in the mass of the oxidized sample per unit area (mg / cm 2 ), or the film thickness of the formed oxide, or the color of the oxide film. In the first case, the samples were weighed on a laboratory balance VLR-20 with a sensitivity of 0.005 mg. In the second case, a photographic image of a transverse metallographic section was studied, obtained using a metallographic microscope at a magnification of 160 times. In the third case, an FMN-2 type macro photography apparatus was used.

Кинетическая кривая окисления образцов представлена на фиг.1. Как видно из чертежа, это типичная кривая окисления циркониевых сплавов и она характеризуется наличием двух участков. Первый из них отвечает допереломной стадии окисления, когда скорость роста оксидной пленки уменьшается с течением времени. Второй участок отвечает послепереломной стадии, когда скорость роста оксидной пленки не зависит от времени. Экспериментальные точки увеличения массы на единицу площади (мг/дм2) от длительности окисления хорошо интерполируются зависимостями:

Figure 00000007

Вычисленные значения коэффициентов уравнений и показателя степени следующие: а= 3,1117 мг/дм•ч-n; b=-28,6119 мг/дм2; Кл=0,573 мг/дм2•ч; n=0,599. Как видно из этих данных, кинетика окисления на допереломной стадии близка к параболической, а на послепереломной - к линейной. Координаты точки пересечения находятся из решения системы уравнений (4). При τ = τпер левые части уравнений системы равны, соответственно получаем следующее уравнение относительно τпер:
n пер -b-Kлτпер = 0 (5)
Решая данное уравнение численными методами, получаем: τпер = 164 ч, Zпep=65,4 mr/дм2. С учетом этих данных послепереломную стадию кинетики окисления можно описать следующим уравнением:
Z = Zпер+Kл(τ-τпер) (6)
где параметр Кл - есть константа линейного окисления;
Znep - увеличение массы на единицу площади в момент перелома.The kinetic oxidation curve of the samples is presented in figure 1. As can be seen from the drawing, this is a typical oxidation curve of zirconium alloys and it is characterized by the presence of two sections. The first of them corresponds to the pre-fracture stage of oxidation, when the growth rate of the oxide film decreases over time. The second section corresponds to the post-critical stage, when the growth rate of the oxide film does not depend on time. The experimental points of mass increase per unit area (mg / dm 2 ) on the duration of oxidation are well interpolated by the dependences:
Figure 00000007

The calculated values of the coefficients of the equations and the exponent are as follows: a = 3.1117 mg / dm • h -n ; b = -28.6119 mg / dm 2 ; K l = 0.573 mg / dm 2 • h; n = 0.599. As can be seen from these data, the kinetics of oxidation at the pre-fracture stage is close to parabolic, and at the post-fracture stage, it is linear. The coordinates of the intersection point are found from the solution of the system of equations (4). When τ = τ left lane of the system equations are respectively the following equation with respect to τ lane:
n per -bK l τ lane = 0 (5)
Solving this equation by numerical methods, we obtain: τ per = 164 h, Z per = 65.4 mr / dm 2 . Based on these data, the post-critical stage of oxidation kinetics can be described by the following equation:
Z = Z per + K l (τ-τ per ) (6)
where the parameter K l is the linear oxidation constant;
Z nep is the increase in mass per unit area at the time of fracture.

Внешний вид полученных при окислении образцов оксидных пленок также типичен. The appearance of oxide films obtained during oxidation is also typical.

На допереломной стадии сформировались оксидные пленки черного цвета(фиг. 2а), на послепереломной - светло-серого (фиг.2б). Black oxide films were formed at the pre-fracture stage (Fig. 2a), and light gray at the post-fracture stage (Fig. 2b).

3. В поверхностный слой испытываемых образцов осуществили ионное внедрение. В качестве легирующей примеси использовали азот - элемент 5 группы. Поскольку электроотрицательность азота меньше электроотрицательности кислорода (3 и 3,5 усл. ед. соответственно), то тенденциия к принятию электрона кислородом выше, чем азотом, следовательно, азот может рассматриваться как донор электронов. Ионному внедрению подвергались образцы в количестве 3 штук на каждую точку, отвечающие разным стадиям окисления на кинетической кривой: τo = 0 - чистый металл, τ1 = 42,5 ч (привес 32 мг/дм2 - толщина пленки оксида 2,2 мкм -допереломная стадия, пленка не содержит сквозных пор или микротрещин) и τ3 = 397 ч (привес 200 мг/дм2 - толщина пленки оксида 13 мкм - послепереломная стадия, пленка содержит сквозные поры и микротрещины).3. Ion implantation was carried out into the surface layer of the test samples. Nitrogen - an element of group 5 was used as a dopant. Since the electronegativity of nitrogen is less than the electronegativity of oxygen (3 and 3.5 conventional units, respectively), the tendency to accept an electron by oxygen is higher than nitrogen, therefore, nitrogen can be considered as an electron donor. Samples in the amount of 3 pieces for each point corresponding to different stages of oxidation on the kinetic curve were subjected to ion implantation: τ o = 0 - pure metal, τ 1 = 42.5 h (weight gain 32 mg / dm 2 - oxide film thickness 2.2 μm - pre-fracture stage, the film does not contain through pores or microcracks) and τ 3 = 397 h (weight gain 200 mg / dm 2 - oxide film thickness 13 μm - post-fracture stage, the film contains through pores and microcracks).

Ионное внедрение осуществлялось на циклотроне Р-7М Уральского государственного технического университета. Энергия ионов азота выбиралась такой величины, чтобы длина пробега пучка ионов не превышала толщину сформированной оксидной пленки. В этом случае все ионы локализовывались в сформированной оксидной пленке. Из этих соображений ионы ускорялись до энергии, равной 3,8 МэВ, ток пучка на пробнике был порядка 15-20 мкА. Разброс частиц в пучке по энергии составил около 0,5. Конструкция установки приведена на фиг.3. Пучок ионов сканируется системой магнитов (4) и попадает в экспериментальную камеру (1) на образец (2), расположенный на медном водоохлаждаемом держателе (3), и частично попадает в цилиндр Фарадея (4). Распределение концентрации внедренных ионов по глубине оксидной пленки изображено на фиг.4. Как следует из графика, легирующая примесь - азот целиком локализована в оксидной фазе. Профиль построен на основании алгоритма расчетов, приведенных в работе [8]. Ion introduction was carried out at the R-7M cyclotron of the Ural State Technical University. The energy of nitrogen ions was chosen such that the mean free path of the ion beam did not exceed the thickness of the formed oxide film. In this case, all ions were localized in the formed oxide film. For these reasons, the ions were accelerated to an energy of 3.8 MeV; the beam current at the probe was about 15–20 μA. The dispersion of particles in the beam in energy was about 0.5. The design of the installation is shown in figure 3. The ion beam is scanned by a system of magnets (4) and enters the experimental chamber (1) on a sample (2) located on a copper water-cooled holder (3), and partially enters the Faraday cup (4). The distribution of the concentration of embedded ions over the depth of the oxide film is shown in Fig.4. As follows from the graph, the doping impurity - nitrogen is completely localized in the oxide phase. The profile is built on the basis of the calculation algorithm given in [8].

На фиг. 5 изображен внешний вид образцов с оксидными пленками исходной толщиной 2,2 мкм, подвергнутые затем ионному внедрению до различных флюенсов: а) 1014, б) 1015, в) 1016 см2 и последующему доокислению до ресурса 400 часов (флюенс - это отношение числа ионизирующих частиц, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы, см. например [9, с. 12] ). Как видно из фиг.5а, при первом значении флюенса внедренные ионы не оказывают замедляющего влияния на кинетику окисления: вся поверхность пленки однородна по цвету. При последующих значениях флюенса наблюдается отчетливо выраженный эффект: подвергнутая ионному внедрению область сохраняет черный цвет, характерный для допереломной стадии окисления, резко контрастируя с контрольной поверхностью белого цвета, характерной для послепереломного окисления (фиг.5б, 5в). На фиг. 6 представлены изображения металлографических шлифов образцов, приведенных выше соответственно на фиг.5б и 5в. На шлифе отчетливо проявляется граница раздела области внедрения ионов (1) и контрольной области (2). Толщины оксидных пленок на поверхности после ионного внедрения по меньшей мере в три раза меньше, чем на контрольной поверхности.In FIG. Figure 5 shows the appearance of samples with oxide films with an initial thickness of 2.2 μm, then subjected to ion implantation to various fluences: a) 10 14 , b) 10 15 , c) 10 16 cm 2 and subsequent reoxidation to a resource of 400 hours (fluence is the ratio of the number of ionizing particles penetrating into the volume of an elementary sphere to the cross-sectional area of this sphere, see for example [9, p. 12]). As can be seen from figa, at the first value of the fluence, the implanted ions do not inhibit the oxidation kinetics: the entire surface of the film is uniform in color. At subsequent fluence values, a distinct effect is observed: the region subjected to ion implantation retains the black color characteristic of the pre-fracture stage of oxidation, sharply contrasting with the white reference surface characteristic of post-fracture oxidation (Fig. 5b, 5c). In FIG. 6 presents images of metallographic sections of the samples shown above in FIGS. 5b and 5c, respectively. The boundary clearly shows the interface between the ion implantation region (1) and the control region (2). The thickness of oxide films on the surface after ion implantation is at least three times less than on the control surface.

На фиг. 7 изображен внешний вид оксидной пленки образца, окисленного до ресурса 400 ч при тех же самых условиях, но на котором ионное внедрение осуществлялось не в оксидную пленку, а непосредственно в матрицу сплава до образования оксида. Внешне область внедрения не выделяется. Привес за это время составил 186 мг/дм2, что лишь 10% меньше по сравнению с привесом контрольных образцов (см. фиг 1).In FIG. Figure 7 shows the appearance of an oxide film of a sample oxidized to a resource of 400 hours under the same conditions, but on which ion implantation was carried out not in the oxide film, but directly into the alloy matrix before oxide formation. Outwardly, the area of implementation is not allocated. The weight gain during this time was 186 mg / dm 2 , which is only 10% less than the weight gain of the control samples (see Fig. 1).

При внедрении ионов в оксидную пленку, сформированную на стадии послепереломного окисления, константа окисления составила 0,461 мг/дм2, (см. фиг.1, кривая 3), что лишь на 20% меньше соответствующего значения для контрольных образцов, как сообщалось выше.When ions were introduced into the oxide film formed at the post-fracture oxidation stage, the oxidation constant was 0.461 mg / dm 2 (see Fig. 1, curve 3), which is only 20% less than the corresponding value for the control samples, as reported above.

Источники информации
1. 3аймовский А.С. Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в атомной энергетике. - М.: Энергоиздат, 1981, 232с.
Sources of information
1. 3aimovsky A.S. Nikulina A.V., Reshetnikov N.G. Zirconium alloys in nuclear energy. - M.: Energoizdat, 1981, 232s.

2. Прочность труб технологических каналов. Родченков Б.А., Рыбкин Е.Ю., Васнин А.М. и др. //Вопросы атомной науки и техники, серия: Материаловедение и новые материалы. 1990. вып.2(36), с. 14-21. 2. Durability of pipes of technological channels. Rodchenkov B.A., Rybkin E.Yu., Vasnin A.M. et al. // Questions of Atomic Science and Technology, series: Materials Science and New Materials. 1990. issue 2 (36), p. 14-21.

3. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов. - М.: Мир, 1969, 392с. 3. Kofstad P. High-temperature oxidation of metals. - M.: Mir, 1969, 392s.

4. Коррозия сплава Zr-2,5%Nb в газовой среде. Перехожев В.И., Поляков П. И. , Калачиков В.Е. и др. //Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы. 1990, вып.2(36), с. 33-38. 4. Corrosion of Zr-2.5% Nb alloy in a gaseous medium. Perekhozhev V.I., Polyakov P.I., Kalachikov V.E. and others // Questions of atomic science and technology. Series: Materials Science and New Materials. 1990, issue 2 (36), p. 33-38.

5. 3аявка 3-71507. Япония. Опубликовано: РЖ - Изобретения стран мира. 1993, 4., вып.49 МКИ С 23, с. 27. 5. 3 application 3-71507. Japan. Published: РЖ - Inventions of the countries of the world. 1993, 4., issue 49 MKI S 23, p. 27.

6. Технология изготовления труб из сплава Zr-2,5%Nb, установленных в реакторах РБМК. А.В.Никулина, Н.Г.Решетников, Т.Б.Шебалдов и др. //Вопросы атомной науки и техники, серия: Материаловедение и новые материалы. 1990, вып. 2(36), с. 46-54. 6. The technology of manufacturing pipes from Zr-2.5% Nb alloy installed in RBMK reactors. A.V. Nikulina, N.G. Reshetnikov, T.B.Shebaldov and others // Questions of atomic science and technology, series: Materials science and new materials. 1990, no. 2 (36), p. 46-54.

7. Ковтуненко П. В. Физическая химия твердого тела. - М: Высшая школа, 1993, 352с. 7. Kovtunenko P. V. Physical chemistry of a solid. - M: Higher school, 1993, 352s.

8. Пространственные распределения энергии, выделенной в каскаде атомных столкновений в твердых телах //А.Ф.Буренков, Ф.Ф.Комаров, М.А.Кумахов, М.М. Темкин. - М.: Энергоиздат, 1985, 248с. 8. Spatial distributions of energy released in a cascade of atomic collisions in solids // A.F. Burenkov, F.F. Komarov, M.A. Kumakhov, M.M. Temkin. - M.: Energoizdat, 1985, 248s.

9. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. - М.: Энергоиздат, 1988, 255с. 9. Pershenkov B.C., Popov V.D., Shalnov A.V. Surface radiation effects in elements of integrated circuits. - M.: Energoizdat, 1988, 255s.

Claims (2)

1. Способ обработки циркониевых сплавов, заключающийся в том, что изделие из циркониевого сплава подвергают термомеханической обработке, формируют любым способом на поверхности изделия оксидную пленку этого же сплава, отличающийся тем, что в оксидную пленку путем ионного внедрения вводят ионы одного из элементов пятой группы или выше, причем указанное внедрение осуществляют при энергии, обеспечивающей длину пробега пучка ионов предпочтительно не более толщины оксидной пленки. 1. The method of processing zirconium alloys, which consists in the fact that the product from zirconium alloy is subjected to thermomechanical treatment, form an oxide film of the same alloy by any method on the surface of the product, characterized in that ions of one of the elements of the fifth group are introduced into the oxide film by ion implantation or above, and the specified implementation is carried out at an energy providing the mean free path of the ion beam, preferably not more than the thickness of the oxide film. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионов внедрения используют ионы азота, начиная с флюенса 1015 см-2 и выше.2. The method according to claim 1, characterized in that nitrogen ions are used as interstitial ions, starting with a fluence of 10 15 cm -2 and higher.
RU2000118063/02A 2000-07-07 2000-07-07 Method of treatment of zirconium alloy RU2199607C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000118063/02A RU2199607C2 (en) 2000-07-07 2000-07-07 Method of treatment of zirconium alloy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000118063/02A RU2199607C2 (en) 2000-07-07 2000-07-07 Method of treatment of zirconium alloy

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000118063A RU2000118063A (en) 2002-06-10
RU2199607C2 true RU2199607C2 (en) 2003-02-27

Family

ID=20237536

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000118063/02A RU2199607C2 (en) 2000-07-07 2000-07-07 Method of treatment of zirconium alloy

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2199607C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2450088C2 (en) * 2010-05-28 2012-05-10 Открытое акционерное общество "Красная Звезда" Multi-layer coating to protect hydride-forming metal against hydrogen corrosion
WO2021215953A1 (en) * 2020-04-20 2021-10-28 Акционерное Общество "Твэл" Method of ion-plasma application of corrosion-resistant film coatings on articles made from zirconium alloys

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2450088C2 (en) * 2010-05-28 2012-05-10 Открытое акционерное общество "Красная Звезда" Multi-layer coating to protect hydride-forming metal against hydrogen corrosion
WO2021215953A1 (en) * 2020-04-20 2021-10-28 Акционерное Общество "Твэл" Method of ion-plasma application of corrosion-resistant film coatings on articles made from zirconium alloys
CN113906154A (en) * 2020-04-20 2022-01-07 Tvel 股份公司 Ion plasma method for sputtering rust-resistant film protective layer on zirconium alloy product
CN113906154B (en) * 2020-04-20 2024-02-20 Tvel 股份公司 Ion plasma method for sputtering rust-resistant film protective layer on zirconium alloy product

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhu et al. High-temperature corrosion of helium ion-irradiated Ni-based alloy in fluoride molten salt
Li et al. Anisotropic thermal creep of internally pressurized Zr–2.5 Nb tubes
Zhong et al. In-situ electrochemical impedance spectroscopy investigations on the early stage corrosion behavior of Zircaloy-4 in high-temperature lithiated water
Guilbert-Banti et al. Effect of pre-oxide on Zircaloy-4 high temperature steam oxidation
Khatamian Diffusion of hydrogen in single crystals of monoclinic-ZrO2 and yttrium stabilized cubic zirconia
RU2199607C2 (en) Method of treatment of zirconium alloy
Cui et al. Role of microchannels in breakaway oxidation of Zr alloy under high-temperature steam oxidation at 1000℃
Tupin et al. Understanding of corrosion mechanisms of zirconium alloys after irradiation: effect of ion irradiation of the oxide layers on the corrosion rate
Huang et al. Effects of thermomechanical processing on in-reactor corrosion and post-irradiation mechanical properties of Zircaloy-2
Anada et al. Effect of annealing temperature on corrosion behavior and ZrO 2 microstructure of zircaloy-4 cladding tube
Garner Investigating the effect of oxide texture on the corrosion performance of zirconium alloys
Eucken Zirconium in the nuclear industry: ninth international symposium
Yano et al. Radiation enhanced anion diffusion in chromia
Lacroix Modeling zirconium hydride precipitation and dissolution in zirconium alloys
Liu et al. Ex Situ and In Situ Studies of Radiation Damage Mechanisms in Zr-Nb Alloys
Tupin Understanding the corrosion processes of fuel cladding in pressurized water reactors
US3462371A (en) Nuclear reactor fuel
Hutchinson et al. A study of the structure and chemistry in Zircaloy-2 and the resulting oxide after high temperature corrosion
Shevyakov et al. Study of Structure-Phase State of Oxide Films on E110 and E635 Alloys at Pre-and Post-Irradiation Stages
Shah Characterizing and Modelling Precipitation in Zirconium Alloys
US6355118B1 (en) Protective coarsening anneal for zirconium alloys
Choudhuri et al. Effect of heavy ion irradiation and α+ β phase heat treatment on oxide of Zr-2.5 Nb pressure tube material
Kostorz Neutron small angle scattering of irradiated aluminium-silicon alloys
He Radiation damage and its impact on corrosion in Zirconium-Niobium alloys
Abe et al. Depth dependence of radiation hardening in 10 MeV 4He+-ION bombarded molybdenum

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner