К. т. н. Іваницький Р. І.

Тернопільський національний педагогічний університет

  імені В. Гнатюка, Україна

ВПЛИВ ВОДНЮ НА ЗМІНИ ФАЗОВО-СТРУКТУРНОГО СТАНУ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

У зв’язку з розвитком робіт по застосуванню водню як альтернативного джерела енергії у сучасному матеріалознавстві інтенсивно розвиваються два напрямки досліджень. Перший спрямований на пониження ступеня деградації фізико-механічних властивостей конструкційних матеріалів за експлуатації у водні. Другий базується на розробленні водневих технологій покращення цих властивостей шляхом хіміко-термічної обробки у водні.

Вибір конструкційних матеріалів для застосування в якості матеріалу першої стінки реактору та труб теплообмінника ґрунтується на наступних засадах: воднева проникність повинна бути нижчою розрахованого рівня екологічної безпеки Р _с і вони повинні мати системи легування, за яких не утворюються гідридні фази. Тому необхідно було протестувати реакторні сталі на предмет можливості гідридоутворення та вияснити закономірності зміни фазово-структурного стану з метою встановлення температурно-часових умов негативного впливу водню. Крім того, якщо сталь за міцнісними властивостями, активованістю та радіаційною стійкістю відповідає вимогам, що ставляться до реакторного обладнання, підібрати таке захисне покриття, яке зможе зменшити її водневу проникність до необхідного рівня. Особливо це стосується сплавів на основі металів V групи.

Дослiдженнями структури аустенiтних сталей пiд час охолодження вiд високих температур встановлено неперервний розпад твердого розчину з появою промiжних фаз рiзного типу i структури, якi мають, як правило, вiдмiнну вiд матрицi розчиннiсть водню. Отже, змiнюючи термiчною обробкою об’ємний вмiст фаз, що утворюються, можна керувати водневою проникнiстю . Оскiльки розчинений водень прискорює процеси фазоутворення , доцiльно проводити таку обробку у водневому середовищi , що дає можливість виграти в часi i збiльшити об’ємну частку iнтерметалiдних фаз потрiбного типу. Застосування такого пiдходу вимагає попереднього вивчення фазово–структурного стану сталей та наявності вiдповiдного банку даних про коефiцiєнт дифузiї та розчиннiсть водню в рiзних iнтерметалiдах .

Iснуюча програма вибору металів щодо захисних покрить для реакторних матеріалів мiстить наступні вимоги:

- хiмiчна стiйкiсть у водневій плазмi ;

- низькi швидкостi фiзико-хiмiчної ерозiї поверхнi пiд опромiненням та стiйкiсть до радiацiйних пошкоджень;

- низька газопроникливiсть (водень, гелiй ).

За цими вимогами вибiр покрить у сучаснiй енергетицi обмежується Be , B, Al , Ti , V та їх сполуками. Оскiльки покриття на основi бору та алюмiнiю у воднi iнтенсивно розсмоктуються, то найперспективнiшими є покриття на основi карбiду титану та берилiю . Слiд вiдзначити , що структура i фазовий склад покриття суттєво залежать вiд способу його нанесення. Важливу роль тут вiдiграють розмiри елементiв конструкцiї реактора. Оскiльки в кожному конкретному випадку вплив водню матиме свої особливостi , важливого значення набуває дослiдження термостабiльностi та кiнетики деградацiї захисних покрить i плiвок на металах у реальному дiапазонi температур їх експлуатацiї .

Одна з головних проблем застосування виробів з функціональних магнітних матеріалів на основі РЗМ у техніці – зменшення їх розмірів за поліпшення експлуатаційних характеристик. Оскільки це, в основному, впорядковані сполуки, то змінити їх хімічний склад неможливо. Залишається лише змінити їх фазовий склад застосуванням хіміко-термічної обробки. Як технологічне середовище за її проведення в даному випадку пропонується використання водню. Крім того, розчинений в металі водень пришвидшує самодифузію, взаємодифузію та атомне впорядкування, збільшуючи ступінь атомного порядку. Оскільки магнітні матеріали – це, в основному, подвійні або потрійні сплави на основі d-перехідних металів та РЗМ, то провівши водневу обробку на атомне впорядкування, можна цілеспрямовано змінити їх фізико-хімічні властивості. При цьому, слід враховувати можливість гідридоутворення , вплив якого, в основному, негативний.

Слід відзначити, що у більшості рідкісноземельних руд співіснує суміш кількох РЗМ, наприклад Nd і Pr , через що вартість таких феромагнетиків визначається, в основному, затратами на розділення такої суміші. Крім того, відомо, що сплави РЗМ активно взаємодіють з воднем, утворюючи стабільні гідриди. В залежності від типу 3d-перехідного металу в різних класах інтерметалічних сполук РЗМ наводнювання може призводити до збільшення або зменшення температури магнітного впорядкування і магнітного моменту.

Встановлено, що наводнювання сполук на основі систем Tb–Fe і Dy–Fe різко зменшує константу магнітострикції. Однак, при вивченні впливу водню на експлуатаційні властивості сталих магнітів на основі систем Nd ( Dd )– Fe–B було встановлено, що високотемпературна дегазація після водневої обробки покращує їх коерцитивну і підіймальну сили та магнітну енергію. Це зумовлено перерозподілом основних і домішкових елементів внаслідок пришвидшення дифузійних процесів розчиненим воднем, внаслідок чого у вказаних сплавах змінюється фазово-структурний стан і гомогенізується структура. При цьому гідридне окрихчення є позитивним чинником, оскільки вироби з функціональних матеріалів на основі РЗМ виготовляють методами порошкової металургії. Однак, механізм впливу процесу гідридоутворення на магнітострикцію ще не достатньо вивчений. Тому послідовно розглянуті закономірності формування магнітного і атомного порядку при переході від чистих наводнених металів до сплавів РЗМ з метою оптимізувати режими проведення термообробки у водні для поліпшення їх константи магнітострикції, що повинно дати позитивний економічний ефект за промислового впровадження, оскільки буде отримана економія і матеріальних, і енергетичних ресурсів.