Структурные изменения в цирконии после плазменного воздействия и высокотемпературного отжига в воздушной атмосфере

  • Виталий Игоревич Шиманский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Виктория Викторовна Абрамова Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Валентин Миронович Асташинский Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, ул. П. Бровки, 15, 220072, г. Минск, Беларусь

Аннотация

В целях проверки возможности повышения коррозионной стойкости циркониевых сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов в ядерной энергетике, исследована стабильность структурно-фазового состояния циркония, подвергнутого высокоэнергетическому плазменному воздействию, а затем изотермическому отжигу в воздушной атмосфере. Образцы циркония обрабатывались импульсными компрессионными плазменными потоками в атмосфере остаточного газа (азота) с плотностью поглощенной энергии, обеспечивающей плавление приповерхностного слоя и последующую скоростную кристаллизацию. Результатом плазменного воздействия являлось формирование дисперсной зеренной структуры, сопровождаемое ростом на поверхности образцов тонкого слоя нитрида циркония (ZrN) и твердого раствора азота в кристаллической решетке низкотемпературной фазы циркония (α-Zr(N)). Изучение термической стабильности модифицированного циркония осуществлялось при изотермическом отжиге в открытой воздушной атмосфере при температуре 350 ℃ в течение 100 ч. С использованием методов растровой электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа установлено диффузионное насыщение приповерхностного слоя образцов циркония атомами кислорода, приводящее к формированию моноклинной модификации диоксида циркония (m-ZrO2) и твердого раствора внедрения (α-Zr(O)). Показано, что модифицирование структуры приповерхностного слоя циркония путем предварительной плазменной обработки препятствует образованию диоксида циркония m-ZrO2, увеличивая при этом область существования твердого раствора α-Zr(O). Сформированный слой нитрида циркония выступает в качестве барьера для диффузионного проникновения кислорода. Однако распад нитрида циркония, происходящий в твердой фазе, приводит к увеличению количества вакантных позиций в кристаллической решетке, способствующих формированию твердого раствора α-Zr(O). Обнаруженные закономерности структурных изменений в цирконии после высокотемпературного отжига позволяют снизить прирост массы образцов при длительном окислении в условиях воздушной атмосферы.

Биографии авторов

Виталий Игоревич Шиманский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; доцент кафедры физики твердого тела и нанотехнологий физического факультета

Виктория Викторовна Абрамова, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирантка кафедры физики твердого тела и нанотехнологий физического факультета. Научный руководитель – В. И. Шиманский

Валентин Миронович Асташинский, Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, ул. П. Бровки, 15, 220072, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, член-корреспондент НАН Беларуси, профессор; заведующий лабораторией физики плазменных ускорителей отделения физики плазмы и плазменных технологий

Литература

  1. Bérerd N, Catalette H, Chevarier A, Chevarier N, Faust H, Moncoffre N. Zirconium surface modification under fission product irradiation. Application to nuclear fuel cladding tubes. Surface and Coatings Technology. 2002;158–159:473–476. DOI: 10.1016/S0257-8972(02)00290-6.
  2. Slobodyan M. High-energy surface processing of zirconium alloys for fuel claddings of water-cooled nuclear reactors. Nuclear Engineering and Design. 2021;382:111364. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2021.111364.
  3. Калин БА, Волков НВ, Валиков РА, Яшин АС. Анализ процесса ионного перемешивания при легировании внешней поверхности трубок из циркония под действием радиального пучка ионов аргона. Физика и химия обработки материалов. 2016;3:5–8. EDN: WCLOXR.
  4. Kuprin AS, Belous VA, Voyevodin VN, Bryk VV, Vasilenko RL, Ovcharenko VD, et al. High-temperature air oxidation of E110 and Zr – 1Nb alloys claddings with coatings. Problems of Atomic Science and Technology. 2014;1:126–132. EDN: CMJOKV.
  5. Петельгузов ИА. Влияние защитных покрытий из алюминия и хрома на окисление циркония и его сплавов. Вопросы атомной науки и техники. 2012;2:114–119.
  6. Park J-H, Kim H-G, Park J-Y, Jung Y-I, Park D-J, Koo Y-H. High temperature steam-oxidation behavior of arc ion plated Cr coatings for accident tolerant fuel claddings. Surface and Coatings Technology. 2015;280:256–259. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.09.022.
  7. Varoto L, Lhuissier P, Majkut M, Blandin J-J, Roure S, Papillon A, et al. Microstructure evolutions induced by electron beam melting of a sintered Cu – 25Cr composite. Materialia. 2024;38:102262. DOI: 10.1016/j.mtla.2024.102262.
  8. Li G, Zhou X, Zhang J, Yuan M, Chen Z. Effects of electron beam current on local microstructure characteristics and tensile behaviors of Ti – 6Al – 4V alloys fabricated by electron beam melting. Materials Science and Engineering A. 2024;912:146966. DOI: 10.1016/j.msea.2024.146966.
  9. Slobodyan M. Resistance, electron- and laser-beam welding of zirconium alloys for nuclear applications: a review. Nuclear Engineering and Technology. 2021;53(4):1049–1078. DOI: 10.1016/j.net.2020.10.005.
  10. Ryskulov A, Shymanski V, Uglov V, Ivanov I, Astashynski V, Amanzhulov B, et al. Structure and phase composition of WNb alloy formed by the impact of compression plasma flows. Materials. 2023;16(12):4445. DOI: 10.3390/ma16124445.
  11. Cherenda NN, Rogovaya IS, Shymanski VI, Uglov VV, Saladukhin IA, Astashynski VM, et al. Elemental and phase compositions and mechanical properties of titanium surface layer alloyed by Zr, Nb and Al under the action of compression plasma flows. High Temperature Material Processes. 2022;26(2):1–9. DOI: 10.1615/HighTempMatProc.2022043003.
  12. Шиманский ВИ, Шевелева ВВ, Углов ВВ, Асташинский ВМ, Кузьмицкий АМ. Окисление циркония, легированного хромом, при воздействии компрессионных плазменных потоков. Физика и химия обработки материалов. 2023;3:18–32. DOI: 10.30791/0015-3214-2023-3-18-32.
  13. Черняева ТП, Стукалов АИ, Грицина ВМ. Поведение кислорода в цирконии. Вопросы атомной науки и техники. 2000;2:71–85.
  14. Ищенко НИ. Определение коэффициента диффузии кислорода в оксиде на циркониевых сплавах и в прилегающем металле по данным измерений коррозионного привеса и толщины оксидного слоя. Вопросы атомной науки и техники. 2014;4:88–93.
  15. Черенда НН, Шиманский ВИ, Углов ВВ, Асташинский ВМ, Ухов ВА. Азотирование поверхностного слоя стали и титана компрессионными плазменными потоками. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2012;4:35–42. EDN: OWXGIB.
  16. Углов ВВ, Черенда НН, Шиманский ВИ, Шостак НВ, Асташинский ВМ, Кузьмицкий АМ. Структурно-фазовые превращения в титане, легированном атомами хрома и молибдена при воздействии компрессионных плазменных потоков. Перспективные материалы. 2010;1:24–32. EDN: KZRDVN.
Опубликован
2025-02-12
Ключевые слова: цирконий, диффузия, окисление, коррозионная стойкость, плазменная обработка, высокотемпературный отжиг, диоксид циркония
Как цитировать
Шиманский, В. И., Абрамова, В. В., & Асташинский, В. М. (2025). Структурные изменения в цирконии после плазменного воздействия и высокотемпературного отжига в воздушной атмосфере. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 17-28. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/6841
Выпуск
№ 1 (2025): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2025 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).