СПЛАВ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
TITANIUM-BASED ALLOY FOR ABSORPTION OF HEAT NEUTRONS

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Традиционные нерадиоактивные металлы, используемые более 50 лет в атомных энергетических установках, - это циркониевые сплавы (∋125, ∋225), коррозионно-стойкая сталь (08Х18Н10Т) и бористая сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф). Последняя, за счет содержания бора, обладает свойством поглощения тепловых нейтронов. В настоящее время из нее изготавливают шестигранные трубы для комплектации стеллажей свежего ядерного топлива и бассейнов выдержки отработанных тепловыделяющих сборок.
Эта сталь получила широкое применение в атомном машиностроении, разработаны и утверждены ТУ 14-1-3689-83, ТУ 14-1-4599-89 на получение трубной заготовки из стали ЧС82. А также разработана технология получения горячекатаных труб из этой стали (ТУ 14-242-275-89), которые служат заготовкой для получения шестигранных труб (ТУ 14-3-1630-89).
5
При этом до настоящего времени расходный коэффициент металла, от трубной заготовки до готового шестигранника, составляет более 400% (из четырех тонн круга получаем одну тонну готовой продукции). Это связано с низкими пластическими свойствами стали ЧС82 (δ≤10% при +20°С). В итоге в технологическом регламенте не предусмотрена холодная пластическая деформация труб из ст. ЧС82 вследствие склонности этого металла к возникновению макро- и микротрещин в режиме холодного передела. Также современные требования к материалам, которые способны поглощать тепловые нейтроны от радиоактивных элементов, диктуют повышение уровня поглощения.
Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана ВТ 1-0 (ГОСТ 19807-91: Титан и сплавы титановые деформируемые) следующего состава, вес.%:
углерод
0,03-0,07
железо
0,15-0,25
кремний
0,05-0,10
азот
0,010-0,030
алюминий
0,05-0,50
титан и примеси
остальное.
3
3
Этот сплав имеет применение в авиастроении, химическом машиностроении в силу малого удельного веса (4,5 г/см), по сравнению с железо-хромовыми сплавами (7,85 г/см), а также антикоррозионных свойств. Для увеличения прочностных свойств сплава на основе титана и его коррозионной стойкости при эксплуатации в соприкосновении с морской водой был разработан ФГУП «ПРОМЕТЕЙ» сплав на основе титана ПТ7М (ГОСТ 19807-91), который также на сегодня имеет опыт применения в атомной энергетике (см. статью Ушкова С.С. и др. - «Вопросы материаловедения», 2009, №3 (59), с.172-187).
Однако переход от железо-хромового сплава к сплаву на основе титана ВТ1-0, включая добавление элементов алюминия (до 2,5%) и циркония (до 3%), в случае сплава ПТ7М, не решает проблему материала по поглощению тепловых нейтронов. В табл.1 на основании известных данных из справочника (Свойства элементов: Справ. Издание в 2 книгах / Под ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003) представлены значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов железа, хрома, титана, алюминия, циркония, бора.
Из табл.1 следует, что природный изотоп бора 10В в тысячи раз эффективнее поглощения тепловых нейтронов, чем перечисленные железо, хром, титан, алюминий и цирконий.
b
02
5
b
02
5
b
02
5
При этом здесь отметим, что изделия из сплава ВТ1-0 (например, бесшовные трубы - ГОСТ 22897-86) имеют более низкие прочностные свойства (σ≥343 МПа, σ≥245 МПа, δ≈0,24), по сравнению со сталью ЧС82 (σ≥441 МПа, σ≥245 МПа, δ≈0,1) и сплавом на основе титана ПТ7М (σ≥470 МПа, σ≥372 МПа, δ≈0,20). Известны изобретения (а.с. СССР №2016132, БИ №13, 15.07.94; а.с. СССР №1258868, БИ №16, 30.04.93; а.с. СССР №2020186, БИ №18, 30.09.94), где добавление в металлические сплавы элемента бора увеличивает их прочностные свойства, а также теплостойкость, износостойкость и ударную вязкость материала.
Задача настоящего изобретения - разработка материала, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами.
Поставленная задача достигается тем, что в известный сплав ВТ1-0 на основе титана добавляют элемент бор в следующем количестве, вес.%: 1,5-3,5.
Отличие предложенного сплава СПБ от прототипа ВТ1-0 заключается в том, что с добавлением в сплав ВТ1-0 на основе титана природной смеси изотопов бора 10В и 11В повышается на три порядка не только уровень поглощения тепловых нейтронов, но и прочностные свойства заявляемого сплава СПБ - сплав на основе титана с бором.
5
Диапазон содержания в сплаве СПБ бора обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 1,5% - сплав СПБ теряет устойчивость (по сплошности распределения бора) по захвату тепловых нейтронов, более 3,5% - резко снижаются пластические свойства сплава (δ<0,1).
Для получения сплавов на основе титана используется электронно-лучевой переплав (ЭЛП) в вакуумных печах. В качестве основного сырья применяется губчатый титан (марки ТГ100, ТГ110) с содержанием титана (99,7-99,7)% согласно ГОСТ 17746-96. С целью равномерного распределения легирующих элементов в слитке осуществляется двойной переплав. Контроль нейтронного поглощения полученного сплава СПБ в слитке и трубах осуществляется с помощью отечественной установки УКПН-1.
Пример получения сплава СПБ. Губчатый титан ТГ100 в виде дискретных кусков размером (20-45) мм перемешивается с природным технически чистым бором в соотношении: 1 кг (ТГ100)+0,02 кг (В), в общем объеме 20 кг и подается в экспериментальную установку (ЭЛП). После двойного переплава получаем слиток ⌀100 мм длиной 500 мм. После обточки и ротационной ковки слитка на диаметр 65 мм получим микроструктуру сплава СПБ с величиной зерна 5-6 баллов. Горячее прессование позволяет получить трубу-заготовку для последующего холодного передела.
В табл. 2 приведен химический состав полученного сплава СПБ, а в табл.3 представлены механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава СПБ при +20°С вместе с величиной поглощения тепловых нейтронов при содержании бора 1,7% и 2,3%. Для сравнения в табл.2-3 представлены химический состав и механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава ВТ1-0, изготовленного на ОАО «ВСМПО АВИСМА» (г. В-Салда), согласно ГОСТ 26492-85.
Как следует из табл.1-3, заявленный сплав СПБ имеет высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, по сравнению с прототипом ВТ1-0, при этом имеет высокие прочностные свойства.
Таблица 1
Значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов циркония, титана, железа, хрома, алюминия, бора (10<sup>-28</sup> м)
№
Изотоп
Эфф. сечение
№
Изотоп
Эфф. сечение
№
Изотоп
Эфф. сечение
1
90 Zr
0,10-1,5
3
56Fe
2,43
5
27Аl
0,21
91 Zr
92 Zr
2
46 Ti
0,6-8,0
4
52Cr
3,10
6
10В
3838
47 Ti
11В
757
48 Ti
Таблица 2
Химический состав опытных плавок СПБ-1Б, СПБ-2 и прототипа ВТ1-0, вес (%)
№
СПЛАВ
В
С
Н<sub>2</sub>
Fe
O<sub>2</sub>
Si
N
Al
Ti
Примеси
1
СП-1
1,7
0,07
0,008
0,3
0,1
0,09
0,03
0,25
Осн.
0,30
2
СП-2
2,3
0,05
0,007
0,3
0,1
0,09
0,03
0,19
Осн.
0,27
3
ВТ1-0
-
0,05
0,005
0,1
0,09
0,03
0,20
Осн.
0,24
Таблица 3
Предел прочности (σ<sub>b</sub>), предел текучести (σ<sub>02</sub>), относительное удлинение (δ<sub>5</sub>) и поглощение тепловых нейтронов (n<sub>ρ</sub>·10<sup>-28</sup> м<sup>2</sup>) для сплавов СП-1, СП-2, ВТ1-0
№
СПЛАВ
σ<sub>b</sub> (МПа)
σ<sub>02</sub> (МПа)
δ<sub>5</sub> (%)
n<sub>ρ</sub>
1
СП-1
570
395
21
21,3
2
СП-2
630
430
16
48,2
3
ВТ1-0
430
270
28
0,5