УДК 620.179.14
РАЗРАБОТКА АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ
НАВОДОРОЖИВАНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
©2019 г. А.А. Хлыбов1,*, Д.А. Рябов1, С.Н. Пичков2, Д.Н. Шишулин2, Д.А. Захаров2
1НГТУ им. Алексеева, Россия 603950 Нижний Новгород, ул. Минина, 24
2АО «ОКБМ Африкантов», Россия 603074 Нижний Новгород, Бурнаковский пр., 15
E-mail: *hlybov_52@mail.ru
Поступила в редакцию 18.12.2018; после доработки 20.01.2019;
принята к публикации 01.02.2019
Представлены результаты акустических исследований наводороженных образцов из титановых сплавов ПТ-7М и
ПТ-3В, направленных на установление корреляционных связей между акустическими параметрами и массовой долей
водорода в образцах. Проведены соответствующие металлографические исследования, позволяющие описать характер
структурных изменений при водородном насыщении, а также показан переход в охрупченное состояние исследуемых
сплавов путем измерения микротвердости.
Ключевые слова: сплав ПТ-7М, наводороживание, теплообменные трубы, АЭУ, техническая диагностика, акустиче-
ский метод.
DOI:10.1134/S013030821904002X
ВВЕДЕНИЕ
Титан и его сплавы относятся к числу важнейших конструкционных материалов, широко при-
меняемых в авиакосмической, химической, судостроительной, атомной, водородной энергетике и
других наукоемких отраслях промышленности [1, 2]. Широкое распространение получили титано-
вые сплавы ПТ-7М и ПТ-3В. В частности, титановые сплавы используются для изготовления
теплообменного оборудования ядерных энергетических установок, особенностью эксплуатацион-
ных условий которых является контакт материалов с водородосодержащими средами [3, 4].
Взаимодействие водорода с титаном, а также с α- и псевдо-α-титановыми сплавами приводит к
образованию достаточно хрупких гидридов (TiHx) на основных плоскостях скольжения и двойни-
кования, а также на границах зерен вследствие малой растворимости водорода в α-фазе при ком-
натной температуре. Результатом такого взаимодействия является увеличение объема до 15—21 %,
которое приводит к появлению больших сжимающих напряжений, индуцированных в матрице,
тем самым вызывая водородную хрупкость [5, 6, 7]. При содержании водорода больше критиче-
ского проявление водородной хрупкости описывается резким снижением механических свойств
(KCU, δ, ψ) титанового сплава, то есть происходит уменьшение способности титана к деформации
под действием эксплуатационных нагрузок, снижается длительная прочность [5, 6]. В наибольшей
степени подвержены охрупчиванию α- и псевдо-α-сплавы, которые широко используются в тепло-
обменном оборудовании ядерных энергетических установок [8], работающих в условиях повы-
шенных температур и давлений.
В реакторных установках (РУ) атомных судов применяются два типа парогенераторов (ПГ) —
ПГ-18Т и ПГ-28, при изготовлении которых используются титановые сплавы ПТ-3В и ПТ-7М [4, 8].
Межконтурная течь трубной системы парогенератора, представляющая собой один из основных
видов отказа ПГ, приводит к ограничению мощности установки, ухудшению радиационной обста-
новки и требует значительных затрат на восстановление работоспособности. Среди особо значи-
мых факторов, обуславливающих деградацию материалов таких труб, следует выделить рабочую
температуру ~ 350 ℃, высокое давление теплоносителя первого контура (~16 МПа) и воздействие
активной среды (хлоро- и водородосодержащая вода).
По полученным в [4] данным можно сказать, что в первые 20—25 тыс. ч работы теплообмен-
ных труб происходит интенсивное поглощение титановым сплавом водорода со средней скоро-
стью ∼0,5⋅10-6 %/ч. Максимальное количество поглощенного водорода может достигать 0,025
мас.
%. При увеличении длительности воздействия водородосодержащей среды от
25
до 78 тыс. ч скорость наводораживания резко снижается и процесс стремится к насыщению.
Максимальное содержание водорода за 78 тыс. ч эксплуатации не превышает ∼0,030 мас. %.
По результатам исследования [8] были обнаружены области течи — узлы приварки питатель-
ных коллекторных труб. Анализ причин образования течи показал:
анализ распределения водорода и оценка локальной пластичности металла труб вблизи зоны
Разработка акустического метода определения степени наводороживания...
9
повреждения свидетельствуют о том, что основным фактором деградации материала в этой зоне
является чрезмерное содержание водорода;
очаг зарождения сквозных трещин находился не на наружной, а на внутренней поверхности
коллекторных труб;
причиной образования сетки трещин на внутренней поверхности коллекторной трубы явля-
лось охрупчивание материала.
Мониторинг содержания водорода в узлах РУ из титановых сплавов ПТ-7М и ПТ-3В после раз-
личного времени эксплуатации был проведен ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с НИЦ
«Курчатовский институт» и ОАО «Мурманское пароходство» [4], результаты отображены на рис. 1.
Сплав
Сплав
Отжиг при 675 ºС
ПТ-7М
ПТ-3В
Петля МР
0,028
Канал
0,024
34
0,020
1
5
2
0,016
0,012
0,008
0,004
0
50
100
150
200
250
300 τ, ч1/2
3,0
12,0 17,0 20,0 26,0
41,0 43,5
64,7 78,3 τ×103, ч
Длительность выдержки
Рис. 1. Наводороживание сплавов ПТ-7М и ПТ-3В в водяной петле реактора МР и каналах атомных ледоколов «Ленин»
(17,0 · 103 ч), «Арктика» (19,3; 25,9; 78,3 · 103 ч), «Сибирь» (20,4; 23,0; 43,5 · 103 ч) и ПГ-28 а/л «Вайгач»:
1 — изделие 13Т; 2, 4 — изделие 14Т; 3 — изделие ХГЦЭН; 5 — ПГ-28 а/л «Вайгач» (образцы труб вне зоны разрушения).
Таким образом, своевременное обнаружение очагов охрупчивания, оценка степени их влияния на
прочностные и эксплуатационные характеристики материалов являются актуальной задачей. Одно
из направлений решения данной проблемы использование средств неразрушающего контроля.
Поиск и разработка методов неразрушающего контроля для исследования конструкционных матери-
алов, склонных к водородному охрупчиванию, является одной из важнейших задач для ядерной
энергетики [9]. Разработка и освоение этих методов позволит отслеживать техническое состояние
конструкций и оборудования, контактирующих с водородсодержащими средами, контролировать их
соответствие механическим и прочностным параметрам и прогнозировать время их отказа и разру-
шения [10]. Одним из направлений решения проблемы контроля состояния титановых сплавов, под-
вергаемых воздействию водородосодержащей среды, является использование акустических методов.
Цель настоящей работы — разработка метода оперативной акустической оценки влияния сте-
пени наводороживания на поврежденность титановых теплообменных труб.
В качестве физической основы предложенного метода контроля выступает зависимость пара-
метров распространения акустических волн в материале от физико-механических характеристик
контролируемой среды, в частности, от степени наводороженности металла.
Структурно-чувствительными величинами являются такие характеристики, как скорость и
затухание упругих волн [9, 10, 11]. Для многих практических задач использование этих характери-
стик представляет затруднение. В частности, для измерения скорости объемных (продольных,
сдвиговых) волн требуются дополнительные измерения толщин образцов, но в большинстве прак-
тических случаев сделать это с высокой точностью не возможно: трубные образцы, большие раз-
меры деталей. Поэтому в данной статье предлагается проводить измерение времени распростра-
нения упругих волн.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для проведения исследований были вырезаны образцы из верхней, средней и нижней частей
теплообменной трубы первого контура парогенератора РУ, который эксплуатировался в течение
Дефектоскопия
№ 4
2019
10
А.А. Хлыбов, Д.А. Рябов, С.Н. Пичков и др.
Рис. 2. Вид образцов из сплава ПТ-7М.
~ 100 000 ч. Материал образцов: титановый сплав ПТ-7М
(рис. 2).
Они имели различные массовые доли водорода.
Химический состав и механические свойства представлены
в табл. 1. Также исследовали образцы из сплава ПТ-3В, пред-
назначенные для градуировки спектральной аппаратуры,
которые имели различные массовые доли водорода в составе
(0,0015 ± 0,0005, 0,005 ± 0,001, 0,016 ± 0,002). Наводораживание
проводилось в лабораторных условиях.
На каждом образце в разных местах проводились замеры
массовой доли водорода. Содержание водорода в них опре-
деляли на высокочувствительном газоанализаторе G8 Galileo
H методом расплавления в потоке несущего газа (высокочистый аргон). В местах замеров на
поверхности образцов оставались прожоги диаметром ~ 2 мм. В точке проведения измерений
содержания водорода проводили измерения времени распространения ультразвуковых импуль-
сов.
Таблица
1
Химический состав и механические свойства сплавов ПТ-7М и ПТ-3В
Содержание легирующих и примесных элементов, %
Механические свойства
(остальное — Ti)
Фазовый
Сплав
состав
Al
Zr
V
C
Fe
Si
H2
O2
Rp0,2, МПа
Rm, МПа
δ, %
ПТ-7М
2,3
2,5
-
0,1
0,25
0,12
<0,006
0,15
α-фаза
450—600
500—650
22—30
α-фаза +
ПТ-3В
-
20,0
-
<0,5
<0,2
0,1
<0,006
0,15
3,5 %
560—590
725—880
10—11
β-фазы
Для измерения времени распространения ультразвуковых импульсов использовался акустиче-
ский измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «АСТРОН» [12], обеспечивающий измере-
ние времени распространения упругих импульсов с точностью до 10-9 с. ИВК «АСТРОН» работа-
ет как в совмещенном режиме (работа с одним датчиком), так и в раздельно-совмещенном (прием
и излучение упругих волн осуществляется по разным каналам). Для измерения использовались
поперечные, продольные волны и волны Рэлея на частоте 5 МГц.
По измеренным временам распространения импульсов объемных волн рассчитывался акусти-
ческий параметр D [13] для каждой точки контроля массовой доли водорода по формуле:
⊥
τ
+τ
t
t
D
=
,
(1)
τ
l
τ , нс — задержка (время распространения) импульса поперечной волны, направление поля-
τ , нс — задержка (время распространения) импульса поперечной
волны, направление поляризации перпендикулярно оси образца; τl , нс — задержка (время рас-
пространения) импульса продольной волны.
Использование параметра D в таком виде позволяет исключить из исследований толщину
контролируемого материала, что является особенно актуальным при проведении измерений на
реальных конструкциях, в частности, трубках теплообменников, где измерение толщины невоз-
можно.
Образцы для металлографического анализа изготавливали по стандартной методике: подвер-
гали тонкой шлифовке на шлифовальных кругах различной зернистости и окончательной поли-
ровке на войлоке. После окончания процесса полировки поверхность шлифа травили в стандарт-
ном растворе: 3 мл плавиковой кислоты (HF) + 6 мл азотной кислоты (HNO3) + 140 мл дистил-
лированной воды.
Дефектоскопия
№ 4
2019
Разработка акустического метода определения степени наводороживания...
11
Металлографические исследования проводили с применением оптической микроскопии (уни-
версальный оптический микроскоп «Keyence VHX-1000»).
Для определения микротвердости наводороженных слоев и анализа зоны образования гидри-
дов использовали микротвердомер ПМТ-3М при нагрузке 0,1 кг.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенной работы была установлена связь между параметрами ультразвуковых
волн и массовой долей водорода в образцах.
Результаты применения рэлеевских волн для контроля наводороженного состояния сплава
ПТ-3В показаны на рис. 3.
5335
y = 1227,1x + 5307,5
5330
R2 = 0,9985
5325
5320
5315
5310
5305
5300
0
0,005
0,01
0,015
0,02
Массовая доля водорода, %
Рис. 3. Зависимость времени распространения рэлеевских волн от массовой доли водорода, сплав ПТ-3В.
Описанная на рис. 3 зависимость характеризует чувствительность распространяющейся в
титановом сплаве поверхностной волны к изменению степени наводораживания. Повышение
уровня структурных несовершенств в виде примесных атомов водорода, закрепленных на струк-
турных дефектах и образовавшихся по границам зерен гидридов (TiHx), приводит к снижению
скорости распространения (увеличение времени распространения) акустического импульса в
исследуемых поверхностных слоях. Изменение времени распространения такого типа упругих
волн в сплаве ПТ-3В после водородного воздействия свидетельствует о возможности их примене-
ния для оценки и прогнозирования ресурса изготовленных из титановых сплавов узлов.
Результаты определения значений акустического параметра D и величин микротвердости на
подвергнутых водородному воздействию образцах из сплава ПТ-3В приведены на рис. 4.
Полученная зависимость показывает, что внедрение водорода и образование гидридов в струк-
туре сплава ПТ-3В приводит к заметному повышению микротвердости изучаемого материала, что,
главным образом, связано с увеличением сжимающих напряжений в структуре по мере роста
количества гидридной составляющей структуры. Комплекс исследований сплава продольными и
поперечными волнами показывает чувствительность данного типа волн к негативным структур-
3,8420
330
y = 3131x + 273,52
3,8400
320
R2 = 0,8542
3,8380
310
3,8360
300
y = 0,8576x + 3,8245
3,8340
R2 = 0,9892
290
3,8320
280
3,8300
D
270
3,8280
HV
260
3,8260
3,8240
250
0
0,005
0,01
0,015
0,02
Массовое содержание водорода, %
Рис. 4. Зависимость значений акустического параметра (D) и микротвердости наводороженных образцов от массовой
доли водорода в составе сплава ПТ-3В.
Дефектоскопия
№ 4
2019
12
А.А. Хлыбов, Д.А. Рябов, С.Н. Пичков и др.
ным преобразованиям, вызванным водородным насыщением. Результаты (см. рис. 4) доказывают,
что выбранный в роли диагностического параметра акустический параметр D является достаточно
информативным и может быть использован при диагностике состояния наводороженных изделий
из титановых сплавов.
а
б
в
x
Рис. 5. Микроструктуры наводороженных образцов из сплава ПТ-3В, ×500:
а — 0,0015 % H2; б — 0,005 % H2; в — 0,016 % H2.
Изменения структурного состояния сплава ПТ-3В после насыщения водородом показаны
на рис. 5.
Результаты микроструктурного анализа наводороженных образцов из сплава ПТ-3В показыва-
ют наличие полиэдрической структуры без явных выделений вторичных фаз в образце с малым
содержанием водорода (рис. 5а). Дальнейшее насыщение водородом (∼0,005 мас. %) приводит к
появлению в структуре гидридов титана (TiHx), выделившихся вдоль определенных кристалличе-
ских направлений. При увеличении содержания водорода до 0,020 мас. % гидриды титана в виде
грубых выделений пластинчатой формы (рис. 5в) образуют сплошную сетку по границам зерен и
возникают в теле зерна.
Схожее поведение структуры α- и псевдо-α-титановых сплавов после наводороживания описа-
но в работах авторов [2, 5, 6]. Характерной особенностью такой структуры при содержании водо-
рода более 0,01 мас. % является резкое падение значения ударной вязкости по причине интенсив-
ного роста количества пластинчатых выделений гидридов титана [6].
Были проведены исследования на образцах из титанового сплава ПТ-7М, вырезанных непо-
средственно из трубок теплообменника. Зависимость акустического параметра D от массовой доли
водорода в материале исследованных образцов представлена на рис. 6.
3,92
y = 1,5438x + 3,8834
y = -1,3492x + 3,93
R2 = 0,4195
R2 = 0,4925
3,91
3,90
3,89
3,88
3,87
3,86
3,85
0
0,005 0,01
0,015
0,02 0,025 0,03
0,035 0,04 0,045
Массовое содержание водорода, %
Рис. 6. Зависимость акустического параметра от массовой доли водорода для пяти исследованных образцов.
Как можно заметить из рис. 6, зависимость используемого акустического параметра от степени
наводораживания является двухстадийной. Эти результаты совпадают с результатами других авто-
ров [10]. Значительный разброс данных показывает, что уровень наводораживания по поверхности
Дефектоскопия
№ 4
2019
Разработка акустического метода определения степени наводороживания...
13
металла распределен неравномерно, сильно изменяется на малых расстояниях. Это и приводит к
значительному разбросу данных.
Для более точного установления корреляционных связей была проведена серия экспериментов
по измененной схеме. Замеры массовой доли водорода провели после акустических измерений
параметра D (места замеров отмечены маркером). Результаты этой серии экспериментов представ-
лены на рис. 7.
3,930
y = -2,0543x + 3,9491
3,925
R2 = 0,8762
3,920
3,915
3,910
3,905
3,900
3,895
3,890
3,885
3,880
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
Массовое содержание водорода, %
Рис. 7. Зависимость акустического параметра от массовой доли водорода (вторая серия экспериментов).
Из вышеприведенных графиков видно, что с увеличением концентрации водорода в образцах
из сплавов ПТ-3В и ПТ-7М в диапазоне концентраций от 0 до ~ 0,015 мас. % скорость акустиче-
ских волн уменьшается, что приводит к росту значений акустического параметра D. Это можно
объяснить тем, что при таком незначительном содержании водорода в образцах из α-титановых
сплавов водород скапливается на дефектах, при этом взаимодействуя с вакансиями, дислокациями
и заполняя пустоты кристаллической решетки. По результатам замеров скоростей акустических
волн можно говорить об ухудшении упругих свойств исследуемых сплавов.
С ростом концентрации водорода (см. рис. 6, 7) в образцах из сплава ПТ-7М в диапазоне кон-
центраций от 0,015 до 0,035 мас. % время распространения упругих волн уменьшается, возрастает
скорость волны. При увеличении содержании водорода в исследуемых образцах наблюдается рост
внутренних напряжений, рост модуля упругости и уменьшение пластичности, что является след-
ствием увеличения содержания гидрида в материале образцов.
По литературным данным [5, 6, 10] процесс образования гидридной фазы начинается сразу при
превышении предела растворимости водорода в металле. Таким образом, можно утверждать, что
начало снижения значений акустического параметра D сигнализирует о начале интенсивного
роста гидридной фазы в исследуемых образцах.
ВЫВОДЫ
1. Получены корреляционные зависимости акустического параметра D от массовой доли
содержания водорода в сплаве ПТ-7М, что позволяет проводить техническую диагностику степени
поврежденности материала особо ответственных узлов.
2. Выявлено, что влияние водорода на упругие свойства сплавов ПТ-7М и ПТ-3В носит двухста-
дийный характер. При этом первая стадия насыщения α-титановых сплавов до концентраций по
водороду ~ 0,015 мас. % приводит к повышению акустического параметра, связанного со снижением
упругих свойств исследуемых материалов при закреплении водорода на дефектах структуры и рас-
творении в кристаллической решетке, а вторая — к снижению значений контролируемого акустиче-
ского параметра D за счет интенсивного образования и роста гидридов TiHx, в результате чего наблю-
даются повышение упругих свойств и рост значений скорости распространения акустических волн.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ночовная Н.А. Перспективы и проблемы применения титановых сплавов / Авиационные матери-
алы и технологии / Науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 2007. Вып. «Перспективы развития и применения
титановых сплавов для самолетов, ракет, двигателей и судов». С. 4—8.
Дефектоскопия
№ 4
2019
14
А.А. Хлыбов, Д.А. Рябов, С.Н. Пичков и др.
2. Колачев Б.А., Ильин А.А., Носов В.К., Мамонов А.М. Достижения водородной технологии титано-
вых сплавов // Технология легких сплавов. 2007. № 3. С. 10—26.
3. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства /
Справочник. М.: ВИЛС — МАТИ, 2009. 520 с.
4. Ушков С.С., Кожевников О.А. Опыт применения и значение титановых сплавов для развития
атомной энергетики России // Вопросы материаловедения. 2009. № 3(59). С. 172—187.
5. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 216 с.
6. Ливанов В.А., Буханова А.А., Колачев Б.А. Водород в титане. M.: Металлургия, 1962. 246 с.
7. Мюллер В. Гидриды металлов. М.: Атомиздат, 1973. 281 c.
8. Бахметьев А.М., Сандлер Н.Г., Былов И.А., Бакланов А.В., Кашка М.М., Филимошкин С.В. Анализ
возможных причин и механизмов отказов трубных систем парогенераторов атомных судов // Арктика:
экология и экономика. 2013. № 3 (11). С. 97 —101.
9. Gomes P.M., Domizzi G., Lopez Pumagera M.I., Ruzzante J.E. Characterization of hydrogen
concentration in Zircaloy-4 using ultrasonic techniques // J. of Nuclear Mater. 2006. V. 353. P. 167—176.
10. Гаранин Г.В., Лидер А.М., Ларионов В.В., Кренинг М.Х. Метод ультразвукового определения
водорода в материалах и изделиях на основе титана // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. Вып. 9.
С. 157—158.
11. Ryabov D.A., Khlybov A.A. Determination of Residual Stresses in the Products with Floating / In 15th
International School-Conference «New materials — Materials of innovative energy: development,
characterization methods and application», KnE Materials Science. 2017. P. 209—220.
12. Хлыбов А.А., Васильев В.Г., Углов А.Л. Определение физико-механических характеристик образ-
цов, подвергаемых радиационному облучению // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.
2009 . Т. 73. № 12. С. 46—49.
Дефектоскопия
№ 4
2019
