Материалы и покрытия для работы в экстремальных условиях | 2017 ИФХЭ РАН

Исследование коррозионных процессов в материале корпуса взрывной камеры уничтожения химических боеприпасов и оценка ресурса ее работы

26 февраля, 2011

А.И. Малкин, В.М. Занозин, В.А. Клюев, З.М. Полукарова, Д.А. Попов, Ю.П.Топоров, Ю.С. Трофимов, В.П. Глинский

Лаборатория физико-химической механики и механохимии

Обеспечение эксплуатационной безопасности и надежности взрывных камер уничтожения химических боеприпасов связано с решением на этапе проектирования проблемы диагностики и снижения скорости коррозионных процессов в ограждающих конструкциях камеры. Необходимым условием безопасности является предотвращение коррозионного растрескивания стенок камеры. Этот тип деградации материала трудно диагностируется в условиях эксплуатации и после длительного латентного периода может приводить к катастрофически быстрому прорастанию сквозных трещин.

Выполненный в работе теоретический прогноз состава внутрикамерной среды показал, что в установившемся режиме стенки камеры будут контактировать с фазовой пленкой коррозионно-активного водного раствора. Выбран ряд модельных растворов и проведено экспериментальное исследование скорости развития коррозионных трещин в нескольких перспективных материалах в условиях, имитирующих эксплуатационные по температуре, уровню и характеру механических нагрузок. В результате предложен рациональный материал (деформационно-стойкая легированная аустенитная сталь), наименее склонный к коррозионному растрескиванию и достаточно устойчивый по отношению к общей коррозии.

На основе экспериментальных результатов предложена полуэмпирическая  математическая модель развития коррозионных трещин и разработан прогноз ресурса корпуса камеры. Сформулированы рекомендации по методам технической диагностики, предложения к регламенту работ и к методике оценки остаточного ресурса по результатам текущего обследования состояния корпуса.

Соисполнитель: ФГУП «Красноармейский научно-исследовательский институт механизации» (ФГУП «КНИИМ», г. Красноармейск,  Московская область).


Разработка технологии активации и исследование реакционной способности активированного алюминия

26 февраля, 2011

А.И. Малкин, В.М. Занозин, И.В. Петрова, Ю.П. Топоров

Лаборатория физико-химической механики и механохимии

Использование алюминия в качестве энергоносителя представляет интерес в многочисленных приложениях, в том числе в тепловых генераторах для термогазохимической обработки призобойной зоны нефтегазовых пластов. Однако применение алюминия в устройствах такого рода сталкивается с проблемой повышения его реакционной способности при умеренных температурах. В работе предложена технология изготовления элементов из активированного алюминия, включающая следующие операции:

•  смачивание листового алюминия технической чистоты поверхностно-активными галлийсодержащими расплавами;

•    кондиционирование в атмосфере сухого азота;

•    размол в мельнице-активаторе в защитной газовой среде;

•  прессование элементов (шашек) порошкообразного активированного алюминия с    последующей гидроизоляцией.

Исследована кинетика взаимодействия активированного алюминия с водными растворами солей, кислот и щелочей, с растворами, моделирующими морскую воду, скважинную жидкость и растворы, применяемые при кислотной обработке нефтяных скважин. Предложен механизм реакции.

022

Зависимость полноты реакции активированного алюминия с водным раствором HCl
(Т = 20 оС, p = 0.1мПа) от времени при различных значениях pH

Результаты защищены двумя патентами РФ № 2186206 (2002 г.) и № 2344989 (2006 г.).

Соисполнитель: ОАО Государственный  научно-исследовательский институт машиностроения имени В.В. Бахирева (ОАО «ГосНИИМаш»)
(г. Дзержинск, Нижегородская обл.
).


Разработка новой концепции защиты космических аппаратов от метеороидов и космического мусора на основе использования активных композиционных материалов

26 февраля, 2011

А.И. Малкин, В.М. Занозин, Ю.П. Топоров, М.М. Кононенко, Т.А. Шумихин

Лаборатория физико-химической механики и механохимии

Проблема создания эффективной экранной защиты является чрезвычайно актуальной в связи с высокой стоимостью доставки грузов на околоземные орбиты и с возрастанием требований к безопасности при длительной эксплуатации орбитальных станций. В работе показано, что существенного снижения массы защиты можно добиться за счет применения экранов из изолированных активных элементов, закрепленных на легкой тканевой основе. При внедрении в метеороид активные элементы экрана претерпевают химическое превращение с большим выходом газофазных продуктов, что приводит к повышению давления на стенки образующегося кратера,  улучшению фрагментации и  увеличению поперечного импульса фрагментов разрушения.

Установлено, что наиболее перспективными активными материалами являются композиты с фторопластовой матрицей и металлическим наполнителем, отличающиеся высокой энергетикой и достаточно стабильные в орбитальных условиях. Разработаны основы механохимической технологии изготовления активных элементов и макетных образцов защитных экранов.

Целесообразность создания активной защиты подтверждена предварительными экспериментами. По осторожной оценке масса активной защиты при нормативном уровне безопасности будет на 30–40 % меньше применяемой защиты модулей международной космической станции (МКС)  в настоящее время.

026

Результаты НИР защищены патентами РФ №22998338 (2007 г.)  и  №22998339 (2007 г.).

Соисполнители: Учреждение Российской академии наук Институт прикладной механики (ИПРИМ РАН, г. Москва), ФГУП Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем (ФГУП «ГосНИИАС», г. Москва), ОАО Государственный  научно-исследовательский институт машиностроения имени В.В. Бахирева (ОАО «ГосНИИМаш», г. Дзержинск, Нижегородская область).


Наноструктурные твердые покрытия конструкционного назначения на основе карбидов вольфрама, обладающие повышенным комплексом физико-механических и защитных свойств при экстремальных условиях эксплуатации

26 февраля, 2011

Ю.В. Лахоткин, В.П. Кузьмин, В.Л. Гончаров, Н.В., Рожанский, В.В. Душик,  Т.В. Рыбкина

Лаборатория гетерогенного синтеза тугоплавких соединений

Представлен метод химической газофазной нанотехнологической сборки «снизу-вверх»  толстых слоев на основе карбидов вольфрама. Этот метод представляет отдельное направление в новой области наук о материалах – «инженерия поверхности». Работа направлена на создание упрочняющих и коррозионно-стойких покрытий для современного точного машиностроения. Отсюда вытекает несомненная актуальность разработки. Метод позволяет путем создания поверхностных и объемных наноструктур регулировать механические свойства слоев в широком диапазоне. Так, микротвердость слоев можно плавно изменять в пределах 5–40 ГПа с точностью 2 ГПа, толщину – от 5 до100 мкм. Новизна работы определяется возможностью формирования различных карбидовольфрамовых смесей без замены реагентов в едином процессе. Семейство покрытий можно разделить на три класса: особотвердые слои, эрозионно-стойкие многослойные покрытия и трещиностойкие нанокомпозитные слои. Микротвердость композиций первого класса, который состоит из индивидуальных карбидов вольфрама и их смесей, составляет 27–40 ГПа, а толщина 12–18 мкм; размер зерен карбидов вольфрама – 3–20 нм. Многослойные покрытия состоят из чередующихся слоев карбида и металлического вольфрама и имеют микротвердость 16–25 ГПа при максимальной толщине 18–30 мкм.  Нанокомпозитные слои представляют собой вольфрамовую матрицу с распределенными карбидными частицами и обладают повышенной трещиностойкостью. Причем размер упрочняющих элементов в материале находится на уровне 2–5 нм. Микротвердость композиций этого класса составляет 12–20 ГПа, а максимальная толщина – до 100 мкм.

Основное преимущество выбранного направления работ связано с возможностью формировать практически беспористые покрытия толщиной до 100 мкм (область допусков для изделий точного машиностроения) с регулируемой в широком интервале микротвердостью и трещиностойкостью. Эти работы значительно опережают мировой уровень как в научном, так и в практическом отношении. Например, покрытия из твердого хрома являются трещиноватыми, а значит не коррозионностойкими, с микротвердостью не выше 10 ГПа. Предложенные W-C слои, напротив, коррозионностойки в растворах неорганических кислот и сероводорода. Даже самый современный вариант газотермических технологий (высокоскоростное напыление) не обеспечивает стойкость к коррозии из-за пористости. К существенным недостаткам этой технологии, как впрочем, и других пучковых технологий, относится невозможность нанесения покрытия на  затененные участки изделия сложной геометрии. Газотермическое покрытие невозможно сформировать заданной толщины без последующей дорогостоящей доводки.

Область упрочняющих карбидовольфрамовых покрытий охватывает чрезвычайно широкий круг применений. В первую очередь – это пары трения для изделий нефтегазовой отрасли, химической и нефтехимической промышленности, горнодобывающей, автомобильной отрасли. С помощью предложенного CVD-метода (химическое газофазное осаждение) можно наносить износо-, эрозионно- и коррозионностойкие покрытия на конкретные изделия современного машиностроения при наличии необходимого оборудования.


Функционально-градиентные материалы для теплонагруженных элементов конструкций высокотемпературной техники, работающих в высокоскоростных высокоэнтальпийных кислородсодержащих газовых потоках

26 февраля, 2011

А.В. Касаткин, С.Г. Андрюшин

Лаборатория гетерогенного синтеза тугоплавких соединений
Сектор высокотемпературного окисления и защиты тугоплавких материалов

Широкие перспективы использования высокотемпературных материалов, в том числе углерод–углеродных композиционных материалов, в высокотемпературной технике связаны с их уникальными физико-механическими свойствами, обеспечивающими их преимущество по сравнению с традиционными материалами. Однако, они весьма неустойчивы к воздействию активных газовых сред, в частности кислорода воздуха, при высоких температурах, поэтому решение проблемы их жаростойкой защиты снимет главное препятствие к их широкому использованию в технике высоких температур.

Разработаны функционально-градиентные материалы (ФГМ) для работы в высокотемпературных окислительных газовых средах в области температур 1200–2000 оС. Основу материалов составляют углеродные композиты или тугоплавкие металлы V–VIa-групп. ФГМ представляют собой углеродную (тугоплавкую) подложку с многослойным покрытием: I – на основе твердых растворов металлов IVa группы (например Mo−Zr), модифицированных кремнием и(или) бором; II – композиции на основе TiSi2–TiB2/ZrB2; MoSi2–ZrB2/TiSi2 и др.).  Для материалов I группы –  изучали перспективы  их использования как собственно жаростойких  ФГМ, так и компонентов жаростойких  покрытий в ФГМ на основе тугоплавких металлов и С–С-композиций; композиции II группы рассматривались с точки зрения основного компонента в многослойных жаростойких покрытиях для углеродных и других материалов, работающих при различных условиях высокотемпературного окисления.  Разработаны принципы  формирования ФГМ путем самоорганизации на их поверхности защитных оксидных композиций, включающих в себя стабильный тугоплавкий оксид и  пластичную составляющую в виде смеси легкоплавких оксидов или сложных оксидов и оксинитридов. Изучены системы MeI–MeII–(Si; B)–(O; N); C–Me–(Si; B)–O (где MeI – Mo, Ti; MeII – Ti, Zr) и  определены наиболее перспективные жаростойкие ФГМ. Опробованы технологические приемы их получения.

Проведены исследования закономерностей высокотемпературного окисления при различных условиях для каждой из указанных групп ФГМ. Так, окисление в интервале температур 1200–1800 оС ФГМ на основе твердых растворов Zr–Mo показали перспективность их использования в качестве жаростойких покрытий для тугоплавких металлов, при этом жаростойкая защита обеспечивается формированием сложной оксидной пленки на основе композиции ZrO2, стабилизированной оксидами бора и РЗМ. Исследование кинетики окисления на воздухе материалов II группы показали их широкие возможности для включения в состав жаростойких ФГМ на основе С–С-композиций.

В открытой литературе аналогов высокотемпературных ФГМ не найдено.

Возможные области применения – авиация, космонавтика, машиностроение. Степень готовности к реализации – 70 %.

Результаты  работы предполагается защитить патентом.

Соисполнитель: Московский авиационный институт (государственный технический университет).


Плазмохимические реакции и ионно-плазменное модифицирование материалов установок управляемого термоядерного синтеза

26 февраля, 2011

А.Е. Городецкий, А.П. Захаров, Р.Х. Залавутдинов, В.Л. Буховец, В.Х. Алимов, В.М. Шарапов, И.Г. Варшавская, И.И. Архипов, А.В. Маркин

Лаборатория поверхностных процессов при радиационных воздействиях

Работа направлена на разработку научных и прикладных физико-химических проблем термоядерного материаловедения, прежде всего для создания уникальной установки ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor), в рамках широкого международного сотрудничества. С целью устойчивого и экологически безопасного функционирования термоядерного реактора проведены модельные эксперименты по анализу процессов переноса и осаждения углеводородных радикалов.

Найдены температурные условия подавления осаждения и ускоренной рекомбинации углеводородных радикалов в стационарном потоке разреженного газа, состоящем из смеси водород–углеводороды, так называемое температурное транспортное окно. Определены такие коэффициенты процесса как вероятность гибели, вероятность осаждения и рекомбинации метил-радикала при столкновении с поверхностью SiO2, Si, Fe, Ni, Cu, W, нержавеющей стали и нержавеющей стали с нанесенной пленкой палладия или рутения. Показано, что наиболее полное гидрирование углеводородных радикалов в области температурного транспортного окна происходит на поверхности нержавеющей стали, покрытой родием.

Предложена конструкция теплового фильтра (из нержавеющей стали), способного существенно понизить накопление тритийсодержащих углеводородов в ИТЭР и других будущих термоядерных реакторах.

Разработана методика плазмохимического осаждения бороуглеродных пленок с использованием карборана, предотвращающих попадание в плазму распыляемых элементов стенки с большим атомным номером. Указанная методика успешно применена для боронизации крупных российских токамаков и используется в настоящее время как стандартная процедура подготовки разрядной камеры для работы с плазмой.

Уровень разработки соответствует зарубежному.

На основании рекомендаций лаборатории в проекте строящегося в г. Кадараш (Франция)  токамака ИТЭР уточнены режимы температур и давлений для оптимизации диверторной плазмы токамака, определены условия осаждения и эрозии материалов; обсуждается возможность изготовления  теплового фильтра, позволяющего существенно понизить накопление тритийсодержащих углеводородов в ИТЭР.

Результаты научно-исследовательской работы опубликованы:

1. Gorodetsky A.E., Zalavutdinov R.Kh., Bukhovets V.L., Vnukov S.P., Zakharov A.P.. The hydrogenation of methyl on metallic surfaces // Rus. J. Phys. Chem. A. 2008. Vol., N 13. P. 2340.

2. Sharapov V.M., Mirnov S.V., Grashin S.A. et al. Boronization of Russian tokamaks from carborane precursors // J. Nuclear Materials.1995. V. 220–222. P.730.

3. Markin A., Chernikov V., Rybakov S., Zakharov A.Thermal desorption of deuterium implanted into beryllium // J. Nuclear Materials.1996 V. 233–237. P. 865.

Соисполнители: ФГУП Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (НИИЭФА), Учреждение Российской академии наук Физико-технический  институт им. А.Ф. Иоффе (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН), РНЦ «Курчатовский институт».

Высокотемпературное взаимодействие нитрида урана и уран-циркониевого карбонитрида с тугоплавкими металлами

26 февраля, 2011

Г.С. Булатов, К.Н. Гедговд, Д.Ю. Любимов

Лаборатория физико-химических основ обращения с радиоактивными  и токсичными отходами

Повышение безопасности и эффективности работы ядерных энергетических установок – термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) и высокотемпературных ядерных реакторов с газовым охлаждением связано с использованием нитридного ядерного топлива, обладающего более высокой плотностью по делящейся компоненте и лучшей теплопроводностью в сравнении с широко используемым диоксидом урана. Проектирование тепловыделяющих элементов (твэлов) для этих установок с использованием  мононитрида или карбонитрида урана, прогнозирование их безопасной работы при длительной эксплуатации, а также поведения в аварийных ситуациях невозможно без детального исследования материалов твэлов в условиях, близких к условиям эксплуатации. Одним из основных факторов, определяющих это поведение, является контактное взаимодействие в системе: «нитридное топливо–оболочка твэла» при высоких температурах. В качестве нитридного топлива были рассмотрены UN и U0.9Zr0.1(C0.52N0.45О0.03) с 96%-ным обогащением по U-235, а в качестве материалов оболочек твэлов – тугоплавкие металлы Mo и W в различном структурном состоянии при температурах 1773–2373 К. Определены коэффициенты диффузии урана из этих соединений в моно- и поликристаллические Mo и W. Установлено, что пути диффузии U, C, N из топлива в металлы различны: уран и углерод диффундируют по границам зерен, а азот – по всему объему металла. Показано, что введение углерода и циркония в UN положительно влияет на его совместимость с Mo и W, увеличивая температурный предел эксплуатации примерно на 100 К, что связано с расширением области гомогенности топлива.
Результаты исследования совместимости UN и UZrCN с Mo и W

023

Примечание: Н –нет химической реакции, диффузия компонентов топлива в металл,   Ж.Ф. – образование на границе контакта жидкой фазы, ТЦ – термоциклирование, 250*  – полное время выдержки при 2073 К.

Имеющиеся, как в отечественной, так и в зарубежной литературе данные по рассматриваемому взаимодействию немногочисленны, неполны и, зачастую противоречивы, что обусловило необходимость проведения дополнительных исследований.

Полученные результаты позволяют получить более точные прогнозные оценки поведения нитридного топлива в процессе его эксплуатации и в аварийных ситуациях.

Соисполнитель: ФГУП «НИИ НПО «Луч», Росатом (г. Подольск, Московская обл.).


Диффузия урана и некоторых продуктов деления (урана-235, технеция-99, цезия-137) в композит SiC–Si (самосвязанный карбид кремния)

26 февраля, 2011

Г.С. Булатов, К.Н. Гедговд, Г.И. Бабаянц

Лаборатория  физико-химических основ обращения с радиоактивными и токсичными отходами

Проблема длительного хранения отработанного ядерного топлива и твердых радиоактивных отходов весьма актуальна и диктует настоятельную необходимость разработки материалов, использование которых позволит хранить отходы в течение тысяч лет в условиях грунтовых вод. С этой целью рядом организаций (НТК «Керамика-Луч» г. Подольск, Всероссийский проектный и научно-исследовательский институт комплексной энергетической технологии (ВНИПИЭТ) и Радиевый институт им. В.Г. Хлопина) рассматривается самосвязанный карбид кремния (SiC–Si), обладающий высокой коррозионной стойкостью. Проведено  исследование диффузионной проницаемости указанного материала для урана и некоторых продуктов деления (технеция-99, цезия-137), при этом с учетом двухфазной структуры данного композита целью исследований было не только определение коэффициентов диффузии U, Tc и Cs в SiC–Si, но и определение оптимального соотношения фаз в композите с точки зрения его барьерных свойств.

Эффективные коэффициенты диффузии урана, технеция и цезия в композит SiCSi

024

Анализ результатов, приведенных в таблице показывает, что увеличение содержания Si в SiС-Si приводит к росту диффузионной проницаемости композита по отношению к урану и продуктам деления, в случае если объемная доля кремния в композите превышает 0.3.

Разработанная в НТК «Керамика-Луч» технология реакционной сварки карбида кремния с учетом полученных рекомендаций в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН позволяет получать герметичные ёмкости для хранения радиоактивных отходов, не имеющих аналогов как в России, так и за рубежом.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования композита SiС–Si в ёмкостях для долговременного хранения и захоронения неперерабатываемого топлива, стержней автоматического регулирования с поглощающими элементами, остеклованных высокоактивных отходов и т.д. при условии, что содержание кремния в композите не превышает 0.3 объемной доли.

Соисполнитель: Научно-технологический комплекс (НТК) «Керамика-Луч»
(Подольск, Московская обл.).

 
 
shadow shadow
Яндекс.Метрика