МАЛОАКТИВИРУЕМЫЕ СТАЛИ - ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Повышение биологической безопасности атомных энергетических установок и снижение расходов, по утилизации радиоактивных отходов становится возможным благодаря использованию в атомной промышленности малоактивируемых сталей— жаропрочных коррозионностойких материалов нового поколения.

Эти стали не содержат в своем составе традиционных легирующих элементов— молибдена, никеля, ниобия, алюминия, обладающих большим временем спада наведенной радиоактивности после нейтронного облучения. Перспективными малоактивируемыми материалами для изготовления компонентов активной зоны атомных реакторов являются мартенситные стали, содержащие 9—12% Сг. Их выбор основан на высоком сопротивлении радиационному распуханию и охрупчиванию материалов с ОЦКрешеткой. Во многих случаях 12 %ная хромистая сталь может оказаться предпочтительнее вследствие более высокой стойкости против общей коррозии. Однако хром, способствующий образованию 6феррита в стали, может отрицательно влиять на ее механические свойства.

В данной работе исследовали влияние содержания хрома от 9 до 14% в малоактивируемой стали на ее механические свойства, состав фаз и стойкость против локальной коррозии.

Сталь выплавляли в 20кг вакуумной индукционной печи. Химический состав опытных плавок малоактивируемой стали представлен в табл. 1. Для сравнения приведен химический состав традиционной жаропрочной стали марок ЭП823 (16Х12МВФБР) и FV448. После ковки слитков на прутки диаметром 8 и 16 мм, их резки и отжига по режиму 850 °С, Зч, охлаждения с печью до 500 °С далее на воздухе, заготовки закаливали в масле после нагрева до 1050 °С и отпускали при температурах 720 или 750°С в течение Зч. Из термообработанных заготовок изготавливали стандартные образцы для механических и коррозионных испытаний, а также металлографического и фазового анализов.

Испытания образцов на стойкость против питтинговой коррозии проводили электрохимическим методом в электролите, состоящем из 1 н. NaCl и 1 н. H2S04. Коррозионную стойкость стали оценивали по уровню противопиттингового базиса А$ — разности между потенциалами пассивации и перепассивации на анодных поляризационных кривых.

Результаты механических испытаний при 650 и 20 °С опытной малоактивируемой стали, а также промышленной стали марки ЭП823 после закалки и отпуска при температурах 720—750 °С представлены в табл. 2. Из данных табл. 2 видно, что сталь, содержащая 9% Сг, обладает пониженными прочностными характеристиками и наиболее высоким уровнем ударной вязкости при испытаниях образцов с острым надрезом. При увеличении содержания хрома в стали до 11 % ее прочность повышается, а ударная вязкость и процент волокна в изломах при комнатной температуре падают. Указанные изменения механических свойств малоактивируемой стали связаны соответственно с усилением процессов образования вторичных фаз (выделения карбидов типа Me2зСб и дисперсных фаз на основе вольфрама и ванадия, а также с появлением в структуре стали 810 % 6феррита (табл. 3). При дальнейшем увеличении концентрации хрома в стали (до 13,9 %) происходит существенное снижение ее прочности при температуре 650 °С, а также ударной вязкости, связанное с увеличением количества бферрита в структуре металла до 20—30%. Из полученных данных следует, что сталь типа 13Х11ВФРТ, содержащая rll % Сг, при минимальном количестве бферрита в ее структуре обладает наиболее высоким комплексом кратковременных механических свойств и практически находится на уровне стали марки ЭП823. По длительной прочности при 560 °С малоактивируемая сталь 13Х11ВФРТ, как видно из данных рисунка, не уступает и даже несколько превосходит сталь FV448, легированную никелем, молибденом и ниобием.

В табл. 3 представлены результаты электрохимического исследования стойкости малоактивируемой стали против питтинговой коррозии, в частности, влияния концентрации хрома в стали и твердом растворе после отпуска при температуре 720 °С на величину противопиттингового базиса Ьф (коррозионная стойкость прямо пропорциональна противопиттинговому базису). У стали, содержащей 9 % Сг, противопиттинговый базис отсутствует, и питтинговая коррозия развивается практически с самого начала испытаний от потенциала коррозии, равного —400 мВ. Повышение содержания хрома в стали до 11,2 и 12,5% приводит к ее самопассивации в состоянии закалки и низкотемпературного (350 °С) отпуска.

Отпуск при 720 °С, вследствие выделения карбидной фазы, приводит к снижению противопиттингового базиса до 50—100 мВ и активному растворению стали без пассивации. Дальнейшее повышение содержания в стали хрома (до 13,9 %) увеличивает его концентрацию в твердом растворе до 12,2 %, что приводит к резкому повышению Ьф до 450 мВ, свидетельствующему о самопассивации стали после отпуска при температуре 720 °С и отсутствии склонности металла к питтинговой коррозии.

Таким образом, 12 %ная хромистая малоактивируемая сталь с минимальным количеством бферрита практически не уступает по своим кратковременным механическим свойствам и длительной прочности отечественной и зарубежной теплостойкой стали, традиционно легированной высокоактивируемыми элементами — молибденом, ниобием и никелем. При концентрации хрома в твердом растворе >12% малоактивируемая сталь мартенситного класса не склонна к питтинговой коррозии. Дальнейшие работы по оптимизации химического состава малоактнвируемой хромистой стали следует направить на повышение ее коррозионной стойкости без увеличения количества бферрита в структуре стали, существенно снижающего уровень ее механических свойств.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994