Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 11, стр. 1200-1203

ВВЕДЕНИЕ

Общепризнанным конструкционным материалом для термоядерных реакторов являются аустенитные нержавеющие стали. Однако они недостаточно стойки к вакансионному распуханию при высоких дозах облучения [1, 2]. Одним из способов подавления вакансионного распухания в сталях является микролегирование. Известно [1], что добавки в малых количествах (0.2–1.0 мас. %) кремния или титана в аустенитные стали приводят к существенному снижению вакансионного распухания. Существуют различные точки зрения на механизмы этого эффекта. Так, например, в [1] предполагается, что точечные дефекты захватываются атомами этих примесей с образованием малоподвижных комплексов, которые являются дополнительными центрами рекомбинации разноименных дефектов. Однако знания о взаимодействии точечных дефектов с атомами Ti очень неполны. В работах [3, 4] сделано предположение, что распухание ослабляется при радиационно-индуцированном образовании дисперсных выделений γ'-фазы. В работе [3] было установлено, что в аустенитной стали после облучения быстрыми нейтронами флюенсом 1.4 × 10²³ см^–2 при 753 K образуются квазисферические частицы Ni₃Ti-фазы размером 6–8 нм. При этом распухание снижается в 6 раз по сравнению с нелегированной сталью. Кроме этого, при облучении в нержавеющей стали происходят процессы расслоения, которые могут привести к появлению стоков точечных дефектов, усиливающих их рекомбинацию [5]. В сталях и сплавах процессы расслоения твердого раствора или ближнего упорядочения происходят под действием миграции закалочных вакансий [6, 7] либо облучения [8, 9]. Расслоение приводит к существенным изменениям электросопротивления и может быть исследовано по этим изменениям. Показано, что существует зависимость равновесного электросопротивления от температуры, которая соответствует температурной зависимости равновесного состояния твердого раствора. Это состояние достигается при повышенных температурах за счет самодиффузии.

При повышении температуры твердый раствор гомогенизируется. В наших работах [10, 11] показано, что твердый раствор инварного сплава Fe–34.7 ат. % Ni при облучении расслаивается на частицы, по составу близкие к соединению FeNi, и матрицу с пониженной концентрацией никеля.

Цель настоящей работы – выяснение влияния титана на начальные стадии образования вакансионных кластеров и на радиационно–индуцированные структурно-фазовые превращения. Объектом исследований была аустенитная сталь Fe–16% Cr–15% Ni–3% Mo, легированная Ti на различном уровне, при облучении электронами и при изохронном отжиге.

1. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Сталь Cr₁₆Ni₁₅Mo₃, нелегированная и легированная Ti на уровне 0.6 и 1.0%, была выплавлена в вакуумной индукционной печи из компонентов высокой чистоты. Концентрация углерода в стали составляла 0.03 мас. %. После прокатки, электроискровой резки и электрополировки образцы отжигали в вакууме 10^–5 Па при 1373 К 1 ч и быстро охлаждали (~100 К/с). Наличие одной аустенитной фазы в образцах контролировали рентгеноструктурным анализом.

Облучения образцов были проведены 5 МэВ электронами на линейном ускорителе электронов ЛУЭ-5 в проточном гелиевом термостате в атмосфере чистого гелия. Точность поддержания температуры облучения была на уровне 5 К. Отжиги проводили в печи, смонтированной на транспортном сосуде Дьюара СТГ-40 в атмосфере гелия, очищенного титановым геттером. Концентрация кислорода была не выше 10^–10%. Точность поддержания температуры при изохронных отжигах 0.1 К. Для измерения остаточного электросопротивления образцов, смонтированных в держателе, его погружали в жидкий гелий. Для измерения электросопротивления использовали автоматизированный измерительный комплекс. Применяли стандартный четырехконтактный метод с погрешностью измерения 0.02%.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Остаточное электросопротивление измеряли при облучении образцов при 320 и 573 К и при последующих изохронных отжигах. На рис. 1 показана зависимость относительного прироста электросопротивления Δρ/ρ₀ от дозы облучения.

Рис. 1.

Дозовые зависимости роста остаточного электросопротивления сталей, легированных титаном, при облучении 5 МэВ электронами при температурах 320 и 573 К.

Из рисунка видно, что при облучении электронами происходит сильный рост электросопротивления во всех исследуемых образцах. Добавление титана приводит к существенному уменьшению эффекта. При удельном остаточном электросопротивлении этих сплавов на уровне 50 мкОм см наблюдаемые приросты на два порядка превышают ожидаемое увеличение электросопротивления из-за накопления радиационных дефектов и поэтому они не могут быть объяснены накоплением дефектов. Для данных сплавов показано, что вакансии, образующиеся при облучении, при комнатной температуре подвижны и образуют вакансионные комплексы (ВК) [13]. Наиболее вероятной причиной сильного роста электросопротивления при облучении являются процессы структурных изменений – ближнего упорядочения (short-range ordering), либо процессы расслоения твердого раствора [5]. Вакансии, мигрирующие при 320 К и выше, обеспечивают наблюдаемые структурные изменения, за счет радиационно-ускоренной диффузии, как показано в [12]. Из сравнения кривых для сплавов с разным содержанием титана следует, что легирование титаном приводит к подавлению наблюдаемого эффекта, особенно при 320 К. В [13] показано, что присутствующие в твердом растворе стали атомы Ti захватывают вакансии, ускоряя процессы образования вакансионных кластеров и делая их более мелкими, что с другой стороны уменьшает средний диффузионный путь вакансий и обусловленное их миграцией расслоение твердого раствора. Вероятно, это и является причиной ослабления эффекта расслоения при повышении концентрации титана.

Видно, что рост сопротивления при 573 К происходит быстрее и до более высоких значений, чем при 320 К. Для облученных при 573 К сталей кривые Δρ/ρ₀ (Ф) выходят на насыщение при дозах выше 1.5 × 10¹⁸ см^–2, и уровень этого насыщения с увеличением концентрации титана также понижается. Существование такого квазистационарного состояния говорит о том, что процесс расслоения при этом сильно замедляется. При этом происходящие радиационно-индуцированные структурно-фазовые изменения приближают состояние метастабильного твердого раствора к равновесному.

На рис. 2. изображены зависимости изменения электросопротивления от температуры изохронного отжига для облученных при двух температурах до дозы 5 × 10¹⁸ см^–2 и необлученных нержавеющих сталей с различной концентрацией Ti. Видно, что отжиг после облучения при 320 К приводит к дальнейшему росту сопротивления в районе 400–550 К. В стали, содержащей 1.0% Ti, этот рост практически отсутствует. В сталях, облученных при 573 К, изменения не происходят вплоть до 700 К. При этом в необлученных образцах не наблюдается изменений до 650 К, а при более высоких температурах наблюдается рост сопротивления.

Рис. 2.

Зависимости изменения остаточного электросопротивления исследованных сплавов от температуры изохронного отжига для облученных до дозы 5 × 10¹⁸ см^–2 при 320 и 573 К и необлученных сталей с различным содержанием титана.

В районе 750–950 К на всех графиках (для облученных и необлученных сталей) наблюдается спад сопротивления. При этом полученные кривые сходятся на единую зависимость для каждого типа сплава, независимо от того, был облучен сплав при 320 или 573 К, или не облучен. Эти единые зависимости для каждого типа сплава проходят на разном уровне, что также выявляет их зависимость от концентрации титана. Последующий изохронный отжиг этих же сталей со снижением температуры (на рис. 2 не показано) приводит к совпадению полученных точек с едиными зависимостями для каждого сплава на участке 950–800 К.

Характер полученных зависимостей и температурные интервалы происходящих изменений аналогичны таким же зависимостям для сплава Fe–34.7 ат. % Ni [10, 11], где было показано, что в этом сплаве при облучении происходят процессы расслоения твердого раствора. Кроме того, было показано, что присутствие Ti в сплавах на основе Fe–36% Ni подавляет расслоение твердого раствора [12]. Можно полагать, что и в исследованных в этой работе сталях наблюдается аналогичный процесс расслоения твердого раствора при облучении и последующем отжиге. Рост сопротивления в районе 400–550 К для облученных при 320 К сплавов обусловлен продолжением процесса расслоения, начавшегося при облучении за счет появления свободно мигрирующих вакансий, при диссоциации ВК. [12]. При этом наблюдается схождение графиков к единым зависимостям в районе 800–950 К, что соответствует процессам диффузионного изменения твердого раствора сплавов, в соответствии с равновесной зависимостью расслоения от температуры [10]. На это указывает также поведение необлученных сталей, у которых электросопротивление растет при 600–750 К и далее принимает те же значения, что и для облученных сталей. Обратное движение по температурам изохронного отжига (на рисунке не показано) приводит к росту сопротивления по единым зависимостям, соответствующим равновесному состоянию твердого раствора, что подтверждает предложенную интерпретацию. Равновесные кривые расположены тем выше, чем меньше концентрация титана, т.е. наличие титана в твердом растворе уменьшает рост сопротивления в нержавеющей стали.

Нами было показано, что в стали, легированной титаном, выше 850 К происходит термическое образование выделений γ'-фазы [13]. Но образование таких выделений при облучении начинается уже при 400 К [13]. Можно предположить, что и в нашем случае происходит образование таких предвыделений, но в изменении электросопротивления это не может быть выявлено.

ВЫВОДЫ

1. В стали Cr₁₆Ni₁₅Mo₃, легированной титаном на уровне 1% и нелегированной, при облучении происходит процесс расслоения твердого раствора. Этот процесс возможен благодаря мигрирующим вакансиям, возникающим при облучении либо при диссоциации вакансионных кластеров, происходящей при пострадиационном отжиге в районе 350–500 К.

2. Выше 700 К изменения определяются термической диффузией, приближая состояние кристаллической решетки облученных и необлученных сплавов к равновесному. При повышении температуры происходит гомогенизация твердого раствора.

3. Добавление титана в твердый раствор приводит к подавлению наблюдаемого процесса расслоения при облучении и к снижению равновесных зависимостей электросопротивления от температуры.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (тема “Спин”, № АААА-А18-118020290104-2) при частичной поддержке РФФИ (проект № 18-02-00270).