Технология получения дисперсно-упрочненной оксидами радиационно-стойкой стали с рекордной жаропрочностью для реакторов на быстрых нейтронах

Институтом физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН предложен не имеющий аналогов за рубежом прогрессивный способ получения радиационно-стойких и жаропрочных дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) реакторных сталей нового поколения (патент  РФ № 2307183).

ДУО стали обладают рекордными жаропрочностью и сопротивлением порообразованию при высоких повреждающих дозах нейтронного облучения. Они перспективны для использования в разрабатываемых реакторах на быстрых нейтронах. Изделия из таких материалов изготавливаются методами порошковой металлургии. Высокие свойства обеспечиваются выделением в структуре стали титан-иттриевых или иттриевых нанооксидов. Это обычно достигается растворением исходного порошка оксидов иттрия или титана в стальной порошковой матрице путем длительной деформации в шаровой мельнице и последующим выделением необходимых наноразмерных иттриевых или титан-иттриевых оксидов в процессе высокотемпературного спекания порошка. Существенным недостатком этой технологии является использование порошка трудно растворимых оксидов иттрия и /или титана с высокой энергией межатомной связи, что обусловливает большую длительность деформации.

По предлагаемой технологии используются порошки стали, предварительно легированной иттрием и титаном, и малоустойчивые оксиды железа, которые существенно быстрее растворяются при деформации в шаровой мельнице. При этом спекание обработанного порошка также приводит к образованию необходимых наноразмерных иттрий-титановых оксидов (см. рис), обеспечивающих высокие свойства стали.

Рис. 1. Наночастицы иттрий-титанового оксида и их выделение в структуре спеченной стали

  Преимуществами новой технологии являются:

• уменьшение в несколько раз длительности деформации исходной порошковой смеси в шаровой мельнице;
• повышение качества ДУО-стали в результате уменьшения загрязнения порошка продуктами износа деталей мельницы;
• значительное снижение энергозатрат при производстве ДУО-сталей

Применение предлагаемой технологии будет способствовать широкому использованию ДУО сталей, в частности :

• для оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов на быстрых нейтронах (типа БН-800, БН-1200 и др.):
• для первой стенки термоядерных реакторов;
• в качестве жаропрочных материалов  в энергетике, авиастроении и других отраслях промышленности.

В разработке и продвижении данной технологии принимает участие ВНИИНМ им. А.А. Бочвара: им изготовлены образцы ДУО стали по технологии, разработанной в ИФМ УрО РАН.

В перспективе ИФМ УрО РАН и ВНИИНМ им. А.А. Бочвара запланированы исследования по созданию ДУО-сталей нового поколения, в которых в качестве носителей кислорода используются окислы железа, присутствующие на поверхности порошка стали, а также изготовление оболочек тепловыделяющих элементов из ДУО сталей, полученных по новой технологии.

ИФМ УрО РАН, располагающий Уникальной научной установкой «Нейтронный материаловедческий комплекс», размещенный на исследовательском атомном реакторе ИВВ-2М, готов принять участие в анализе результатов испытаний тепловыделяющих элементов и дальнейшем внедрении новых ДУО сталей, организуемых ГК «РОСАТОМ».