Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к технологии финишной обработки поверхности сплавов циркония и может найти применение в атомной промышленности, реакторостроении и металлургии.

Известен способ финишной обработки изделий из сплавов циркония, который заключается в снятии поверхностного слоя в смесях, содержащих плавиковую кислоту [Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в атомной энергетике. - М.: Энергоиздат, 1981. - 231 с.]. Существенным недостатком такой операции является неизбежное загрязнение поверхности фторидами, что ведет к нежелательным изменениям структуры в кристаллической решетке при облучении, из-за чего такие изделия не выдерживают испытаний в аварийных условиях.

Наиболее близким по технической сущности является способ модификации поверхности металлов, заключающийся в микролегировании поверхностного слоя металлов с помощью магнитно-абразивной обработки порошками, содержащими карбиды переходных металлов IV-VI групп Периодической системы, при скорости магнитно-абразивного резания не менее 500 м/мин, напряженности магнитного поля в рабочем зазоре между полюсами 0,4-0,7 Тл и величине рабочего зазора 2-5 мм [Патент РФ №2200771, МПК C23C 26/00. Способ модификации поверхности металлов. / К.Н.Никитин, В.К.Орлов, ИА.Шлепов (РФ). - №2001114427/02; заявл. 30.05.2001; опубл. 20.03.2003. - С.4]. Этот способ выбран за прототип.

Однако известно [Никитин К.Н., Балицкий В.Н., Н.Е.Некрасова. Влияние магнитно-абразивной обработки поверхности на коррозионные свойства оксидных пленок на сплаве циркония // «Современные аспекты твердотельной электрохимии». Сборник тезисов докладов. - М.: НИФХИ им. Л.Я,Карпова, октябрь-ноябрь, 2009, - с.153], что на сплаве, используемом в реакторостроении, Zr-1%Nb-1,2%Sn-0,35%Fe, обработанном таким способом, не формируется стабильный защитный оксидный слой, так как измерения напряжения пробоя показали, что оно колеблется в широком интервале 26-168 В. Такие защитные пленки не могут обеспечить высокую надежность эксплуатации тепловыделяющий сборок в условиях эксплуатации первого контура ядерного реактора.

Задачей данного изобретения является повышение и стабилизация величины напряжения пробоя, что повысит надежность эксплуатации тепловыделяющих элементов ядерного реактора, изготовленных из сплава Zr-1%Nb-1,2%Sn-0,35%Fe.

Поставленная задача решается тем, что повышение коррозионных характеристик защитного слоя оксидной пленки циркониевого сплава, характеризуемое напряжением пробоя, достигается микролегированием поверхностного слоя атомами металлов и окружающей атмосферы с помощью магнитно-абразивной обработки с размером частиц магнитно-абразивного порошка от 250 до 600 мкм, и скорости относительного перемещения детали и инструмента от 500 до 600 м/мин, и величине рабочего зазора между полюсами 2-10 мм, причем проводят магнитно-абразивную обработку сплава циркония Zr-1%Nb-1,2%Sn-0,35%Fe с использованием в качестве магнитно-абразивного порошка α-ферромагнитной матрицы, в которой содержится 50-55% карбида молибдена, а магнитно-абразивную обработку проводят в две стадии: на первой стадии при напряженности магнитного поля в рабочем зазоре 1-1,5 Тл в течение 1-1,5 мин, и на второй стадии при напряженности магнитного поля 0,2-0,4 Тл в течение 1-0,5 мин.

Изобратание иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. Трубчатые образцы из сплава Zr-1%Nb-1,2%Sn-0,35%Fe обрабатывают на установке для магнитно-абразивной обработки, с помощью магнитно-абразивного порошка, содержащего α-ферромагнитную матрицу Fe+55% Mo₂C с фракцией 300-600 мкм без смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), при величине рабочего зазора 2 мм и линейной скорости вращения магнитных полюсов 500 м/мин. Магнитно-абразивную обработку проводят в две стадии. На первой стадии магнитную индукцию в рабочем зазоре увеличивают до 1,5 Тл и обработку проводят в течение 1 мин. На второй стадии магнитную индукцию в рабочем зазоре уменьшают до 0,4 Тл и обработку проводят в течение 0,5 мин. Поверхность образцов после магнитно-абразивной обработки в таком режиме, в отличие от обычной серебристо-матовой, выглядит слегка загорелой и более матовой.

Образующийся модифицированный слой заметно изменяет электрофизические и коррозионные свойства сплава. При коррозионных испытаниях в воде при 350°C и давлении 200 атм через 2000 час привес составляет 25,0 мг/дм², сравнимый с привесом 27,0 мг/дм² для образцов после обычного травления во фтористоводородной ванне и сравнимый с привесом 26,0 мг/дм² после магнитно-абразивной обработки, проводимой в одну стадию при использовании того же магнитно-абразивного порошка.

Напряжение пробоя слоя оксида после 2000 ч испытаний в автоклаве, характеризующее толщину защитного слоя оксидной пленки, для образцов после двустадийной магнитно-абразивной обработки достигает величины 210 В, что много выше напряжения пробоя 76 В для образцов после обычного травления во фтористоводородной ванне после тех же испытаний и выше чем напряжение пробоя 122 В для образцов после одностадийной магнитно-абразивной обработки после тех же испытаний.

Пример 2. Трубчатые образцы из сплава Zr-1%Nb-1,2%Sn-0,35%Fe обрабатывают на установке для магнитно-абразивной обработки, с помощью магнитно-абразивного порошка, содержащего α-ферромагнитную матрицу Fe+50% Mo₂C с фракцией 250-500 мкм без смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). При величине рабочего зазора 10 мм и линейной скорости вращения магнитных полюсов 600 м/мин. В отличие от обычного одностадийного режима магнитно-абразивную обработку проводят в две стадии. На первой стадии магнитную индукцию в рабочем зазоре увеличивают до 1 Тл и обработку проводят в течение 1,5 мин. На второй стадии магнитную индукцию в рабочем зазоре уменьшают до 0,2 Тл и обработку проводят в течение 1 мин. Поверхность образцов после магнитно-абразивной обработки в таком режиме, в отличие от обычной серебристо-матовой, выглядит слегка загорелой и более матовой.

Напряжение пробоя электрической емкости барьерного слоя оксида после 2000 ч испытаний в автоклаве, характеризующее толщину защитного слоя оксидной пленки, для образцов после двустадийной магнитно-абразивной обработки достигает величины 221 В, что много выше напряжения пробоя 76 В для образцов после обычного травления во фтористоводородной ванне после тех же испытаний и выше чем напряжение пробоя 168 В для образцов после одностадийной магнитно-абразивной обработки после тех же испытаний.

Как видно из приведенных примеров, при обработке поверхности сплава Zr-1%Nb-1,2%Sn-0,35%Fe по предложенному способу напряжение пробоя оксидной пленки поле испытаний в условиях, моделирующих ядерный реактор, составляет 210-221 В, что значительно превосходит соответствующие значения, полученные при использовании известных способов, - травление в HF (53-76 В) и магнитно-абразивной обработки в одну стадию (26-168 В). Таким образом, использование предлагаемого способа позволит увеличить надежность эксплуатации тепловыделяющих сборок АЭС.