Разработка новых малоактивируемых аустенитных сталей для ядерной энергетики, исследование их микроструктуры и механических свойств.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00802

НазваниеРазработка новых малоактивируемых аустенитных сталей для ядерной энергетики, исследование их микроструктуры и механических свойств.

Руководитель Литовченко Игорь Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова конструкционные материалы ядерной энергетики, малоактивируемые аустенитные стали, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микроструктура, механические свойства, прочность, пластичность, дисперсное упрочнение.

Код ГРНТИ53.49.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке и созданию новых малоактивируемых аустенитных сталей для их применения в качестве конструкционных материалов ядерных реакторов деления IV-го поколения и термоядерных реакторах, исследованию их микроструктуры и механических свойств. Используя элементы с быстрым спадом наведенной радиоактивности (Mn, Cr, Si) будут выплавлены новые составы аустенитных немагнитных сталей системы Fe-(28-32)Mn-(15-16)Cr с содержанием углерода 0.1 – 0.25 вес %, дополнительно легированные карбидообразователями: W, V, Ti, Zr, Ta, при их весовом содержании, близком к пределу растворимости в аустените. При этом содержание высокоактивируемых элементов в составах сталей будет ограничено требованиями быстрого спада наведенной радиоактивности - их минимально возможными концентрациями (< 0.1 вес. % Ni, < 0.01 вес. % Mo, и др.). Стабильность аустенита по отношению к превращению в мартенсит в условиях пластической деформации и в феррит в условиях длительной выдержки при высоких температурах будет обеспечена повышенным (по сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями) содержанием Mn и углерода. Стабильный аустенит обеспечит немагнитные свойства, что принципиально важно для конструкционных материалов, планируемых для работы в условиях больших магнитных полей термоядерных реакторов. Наличие значительного количества карбидообразующих элементов и повышенное содержание углерода позволят эффективно реализовать концепцию дисперсного упрочнения сталей карбидными частицами. Планируется выплавка как минимум двух вариантов составов сталей с вариацией по содержанию марганца. После выплавки будет аттестован элементный состав сталей. Полученные плавки будут подвергнуты высокотемпературному переделу с последующей прокаткой на лист. После обработки на твердый раствор (исходное состояние) и холодной прокатки на 20 % будут подготовлены образцы для микроструктурных исследований и механических испытаний. Методами рентгеноструктурного фазового анализа, просвечивающей и растровой электронной микроскопии с применением дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD) будут изучены особенности структурно-фазовых и дефектных состояний сплавов после указанных выше обработок. Поскольку применение сталей как конструкционных материалов ядерной энергетики планируется при температурах 600 – 700 ºC, будут изучены кратковременные механические свойства сталей вблизи интервала рабочих температур. Также планируется исследование температурной зависимости механических свойств одного из вариантов составов в условиях испытаний на растяжение в температурном интервале 20 – 700 ºC. Будут исследованы особенности микроструктуры и фазового состава, а также механические свойства в условиях испытания на растяжение одного из вариантов сталей после длительной (не менее 1000 ч) высокотемпературной выдержки вблизи интервала рабочих температур. Предполагается, что аустенитные стали предложенных составов за счет высокого содержания марганца и повышенного содержания углерода будут иметь стабильную аустенитную структуру. Высокое содержание карбидообразующих элементов позволит получить механические свойства (в том числе высокотемпературные – предел текучести, предел прочности) сравнимые или превышающие аналогичные значения для их немалоактивируемых аналогов, в частности для аустенитной стали ЭК-164, используемой в настоящее время в качестве конструкционного материала ядерных реакторов. Содержание Cr не менее 15 % и повышенное содержание Si обеспечат высокие коррозионные свойства, необходимые для конструкционных материалов ядерной энергетики. При этом в отличие от хромоникелевых аустенитных сталей, используемых в настоящее время в качестве конструкционных материалов ядерной энергетики, стали предложенных составов позволят проводить безопасную переработку облученных в реакторе материалов после выдержки менее 100 лет. Актуальность работы обусловлена необходимостью развития новых подходов к созданию конструкционных материалов ядерной энергетики, обладающих длительной высокотемпературной прочностью, низкой склонностью к радиационному распуханию и гелиевому охрупчиванию, коррозионной стойкостью и одновременно быстрым спадом наведенной радиационной активности. Научная новизна состоит в разработке новых составов малоактивируемых аустенитных сталей и получаемых в них структурно-фазовых состояний. Эти стали могут составить конкуренцию по механическим, физическим и радиационным свойствам хромоникелевым (активируемым) аустенитным сталям и ферритно-мартенситным сталям.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. И.Ю. Литовченко, С.А. Аккузин, Н.А. Полехина, К.В. Алмаева, Е.Н. Москвичев, А.В. Ким, В.В. Линник, В.М. Чернов New low-activation austenitic steel for nuclear power engineering Letters on Materials, Т. 12, вып. 4s, с. 399-403 (год публикации - 2022)
10.22226/2410-3535-2022-4-399-403

2. И. Литовченко, С. Аккузин, Н. Полехина, К. Алмаева, В. Линник, А. Ким, Е. Москвичев, В. Чернов The Microstructure and Tensile Properties of New High-Manganese Low-Activation Austenitic Steel Metals, Вып. 12, с. 2106 (год публикации - 2022)
10.3390/met12122106

Публикации

1. Полехина Н.А., Литовченко И.Ю., Аккузин С.А., Спиридонова К.В., Ким А.В., Осипова В.В., Чернов В.М. The effect of annealing on microstructure and microhardness of low-activation high-manganese austenitic steel Letters on Materials, Т.14. №1. С.51-56 (год публикации - 2023)
10.48612/letters/2024-1-51-56

2. Литовченко И.Ю., Аккузин С.А., Полехина Н.А., Спиридонова К.В., Ким А.В., Осипова В.В., Москвичев Е.Н., Чернов В.М. Microstructure and mechanical properties of low-activation austenitic steel after high-temperature annealing Letters on Materials, Том 13.,№ 4s (год публикации - 2023)
10.22226/2410-3535-2023-4-390-396

3. Литовченко И.Ю., Аккузин С.А., Полехина Н.А., Спиридонова К.В., Осипова В.В., Ким А.В., Москвичев Е.Н., Чернов В.М., Кузнецов А.В. Microstructure Features and Mechanical Properties of Modified Low-Activation Austenitic Steel in the Temperature Range of 20 to 750 C Metals, том 13, 2015 (год публикации - 2023)
10.3390/met13122015

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Показано, что в условиях старения при 700 °C 100 и 500 ч новой малоактивируемой аустенитной стали Fe–26Mn–11Cr–W–Si–Ta–Ti–V–Zr–0,32C зеренная и микродвойниковая структура остаются стабильными. Основным процессом, который наблюдается в этих условиях, является выделение дисперсных карбидных частиц М23С6 (M – Cr, Mn, Fe). При старении закаленного состояния эти карбиды выделяются по границам и внутри зерен, а также в виде оболочек на частицах карбидов MC (M – Ti, Ta, V, Zr, Si, W). При старении холоднодеформированного состояния карбиды М23С6 выделяются в виде параллельных пластинчатых частиц по плоскостям {111} аустенита на некогерентных и когерентных границах двойников. Их поперечные размеры ограничены толщиной двойников. Старение холоднодеформированного состояния приводит к формированию ε-мартенсита (до 15 %). Показано, что эта фаза полностью превращается в аустенит при нагреве выше 500 °C и заново выделяется при охлаждении. Плотность частиц М23С6 значительно возрастает при увеличении времени старения до 500 ч (по сравнению с 100 ч). Старение холоднодеформированного состояния способствует выделению хрупкой и твердой σ-фазы. После старения закаленного состояния эта фаза не обнаружена. 2. Изучены механические свойства, особенности пластической деформации и разрушения малоактивируемой аустенитной стали Fe–26Mn–11Cr–W–Si–Ta–Ti–V–Zr–0,32C после старения при 700 ºС (100 и 500 ч) в закаленном и холоднодеформированном состояниях в условиях испытаний на растяжение при 20, 650 и 700 ºС. После старения закаленного состояния наблюдается сохранение, или даже некоторое повышение прочностных свойств стали по сравнению с исходным состоянием. Это связано с превалированием эффектов дисперсного упрочнения стали частицами M23C6 над эффектами разупрочнения за счет возврата дефектной структуры. Старение холоднодеформированного состояния приводит к снижению прочностных свойств. Это связано с выделением частиц M23C6 преимущественно по границам двойников и ускоренным отпуском холоднодеформированной структуры. Удлинение до разрушения в результате старения снижается в обоих состояния. Основным механизмом разрушения состаренных при 700 °C образцов при всех исследованных температурах испытаний на растяжение является вязкое транскристаллитное разрушение. Частицы карбидов М23С6, выделившиеся по границам зерен в результате старения закаленного состояния, приводят к появлению областей интеркристаллитного разрушения. Наличие высокой плотности тонких пластин М23С6 по границам микро- и нанодвойников после старения ХД состояния способствует более однородному упрочнению стали и приводит к исчезновению признаков межкристаллитного разрушения. Наличие σ-фазы после старения продолжительностью 500 ч холоднодеформированного состояния приводит к снижению до 7 % удлинения до разрушения и появлению хрупкой составляющей в изломах при комнатной температуре. При повышении температуры испытаний влияние σ-фазы на величину пластичности и наличие хрупкой составляющей в изломах снижается. 3. Разработана новая малоактивируемая аустенитная сталь Fe-11Cr-27Mn-W-Ti-V-Ta-Y-0,23C, дополнительно легированная редкоземельным элементом Y. Исследованы особенности структурно-фазовых состояний модифицированного состава малоактивируемой аустенитной стали после закалки, холодной деформации и длительного (100 ч) старения при 700 °C. Показано, что структурно-фазовые состояния новой стали (скорректированного состава) аналогичны изученным ранее на стали Fe–26Mn–11Cr–W–Si–Ta–Ti–V–Zr–0,32C. При этом меньшие размеры зерен в новой стали могут быть связаны с сегрегацией Y по границам зерен. В новой стали уменьшено содержание грубодисперсных частиц относительно предыдущей плавки. Это достигнуто за счет уменьшения содержания углерода (0,23 вместо 0,32 вес. %) и сильных карбидообразующих элементов (Ti, Ta), а также отсутствия Zr. Закономерности выделения карбидов M23C6 в закаленном и холоднодеформированном состояниях новой стали аналогичны исследованным ранее. Уменьшения плотности и объемной доли этих частиц в новой стали, по сравнению с предыдущей плавкой, не обнаружено. После старения холоднодеформированного состояния продолжительностью 500 ч обнаружены следы σ-фазы, при этом ее содержание значительно меньше, чем в исследованной ранее плавке. 4. Изучены механические свойства новой стали Fe-11Cr-27Mn-W-Ti-V-Ta-Y-0,23C стали в условиях испытаний на растяжение при 20, 650 и 700 ºС в структурных состояниях после закалки, холодной деформации и старения длительностью 100 ч этих состояний. Несколько меньшие значения прочностных свойств новой стали, по сравнению с предыдущей плавкой, связаны с меньшей эффективностью твердорастворного упрочнения (за счет меньшего содержанием углерода), и с меньшей эффективностью дисперсного упрочнения. После старения закаленного состояния предел текучести несколько увеличивается, относительно исходного состояния при всех исследованных температурах испытаний. При этом удлинение до разрушения уменьшается, наиболее значительно (в 1,6 раза) при комнатной температуре испытаний. Старение холоднодеформированного состояния приводит к снижению предела текучести в 1,3 – 2 раза. При этом значения удлинения до разрушения практически не изменяются относительно исходных состояний, что отличается от поведения исследованной ранее стали в аналогичных условиях старения. 5. Для ограничения формирования σ-фазы в сталях при повышенных температурах и продолжительных временах старения необходима дополнительная корректировка их элементного состава и режимов термомеханических обработок. Предполагается, что уменьшение содержание Cr в составе сталей, а также уменьшение доли двойниковых границ, как мест зарождения вторичных фаз, будут способствовать снижению тенденции к выделению карбидов M23C6 и σ-фазы. 6. Достигнутый комплекс прочностных и пластических свойств разработанных новых малоактивируемых аустенитных сталей и их термическая стабильность в условиях длительного (до 500 ч) старения при 700 °C позволяет рассматривать эти стали в качестве перспективных малоактивируемых конструкционных материалов для энергетических реакторов нового поколения и гибридных установок.

Публикации

1. Литовченко И.Ю., Аккузин С.А., Полехина Н.А., Спиридонова К.В., Осипова В.В., Ким А.В., Москвичев Е.Н., Чернов В.М. Effect of aging at 700 ◦C on the microstructure, phase transformations, and mechanical properties of low-activation austenitic steel Materialia, № 39, Art. 102335 (год публикации - 2025)
10.1016/j.mtla.2025.102335

2. Литовченко И.Ю., Аккузин С.А., Полехина Н.А., Спиридонова К.В., Осипова В.В. Фазовые превращения в малоактивируемой хромомарганцевой аустенитной стали в условиях длительного старения Металловедение и термическая обработка металлов (год публикации - 2025)

3. Литовченко И.Ю, Аккузин С.А., Полехина Н.А,, Спиридонова К.В., Осипова В.В., Ким А.В., Чернов В.М Microstructure and mechsnical properties of Y-modified low-activation austenitic steel after aging Russian Physics Journal (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03343-6

4. Литовченко И.Ю, Аккузин С.А., Полехина Н.А,, Спиридонова К.В., Химич М.А., Ким А.В., Осипова В.В., Чернов В.М Phase transformation during in situ heating of low-activation austenitic steel Russian Physics Journal , том 67, № 10, с. 1627-1633 (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03291-1

5. Литовченко И.Ю., Аккузин С.А., Полехина Н.А., Спиридонова К.В., Ким А.В., Осипова В.В., Москвичев Е.Н., Чернов В.М. Microstructure and mechanical properties of Y-modified low-activation austenitic steel Letters on Materials, №4, Т.14, С.346-352 (год публикации - 2024)
10.48612/letters/2024-4-346-352

Возможность практического использования результатов
Полученные в проекте результаты исследования новых малоактивируемых аустенитных сталей могут послужить научным и технологическим заделом, обеспечивающим первенство России в области разработки и применения малоактивируемых конструкционных материалов для ядерной энергетики.