Исследование и моделирование процесса получения заготовок из композиционного материала системы алюминий-редкоземельные металлы

Методы порошковой металлургии находят широкое применение при получении изделий со специальными свойствами для различных отраслей промышленности: машиностроение, специальное и аналитическое приборостроение, космическая техника, медицина и другие. К ним также относится и ядерная энергетика. В 2003 году Министерством Российской Федерации по атомной энергии была разработана «Концепция по обращению с отработанным ядерным топливом», формулирующая экологически безопасную стратегию отечественной атомной отрасли [1]. В настоящее время одной из актуальных проблем в ядерной энергетике является хранение, транспортировка и захоронение отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и радиоактивных отходов (РАО). ОЯТ является источником гамма и нейтронного излучения, поэтому радиационная защита должна быть комбинированной. В связи с этим важной задачей является разработка новых материалов и создание из них современных контейнеров для ОЯТ и РАО.

В металлобетонных контейнерах (МБК) применяется высокопрочный радиационно-защитный бетон, не имеющий аналогов в мире (разработчик 26 ЦНИИ МО). Жесткое трехосное армирование бетона с использованием внешней обоймы (эффект косвенного армирования и обоймы) обеспечили повышенную стойкость к образованию трещин и прочность бетона, приближающуюся к прочности стали. В качестве заполнителя бетона используют отходы металлургического производства (окалина и стальная дробь), что позволяет довести плотность бетона до 3800.4100 кг/м и, тем самым, обеспечить повышенные радиационно-защитные свойства [2]. В качестве основных марок стали для несущих (силовых) элементов конструкции МБК (комингса, силового стакана) применяется низкоуглеродистая сталь марки 09Г2СА-А, которая является улучшенной модификацией стали марки 09Г2С, разработанной в ЦНИИ КМ «Прометей». Указанная сталь обладает хорошей свариваемостью, имеет относительно низкую стоимость и достаточно высокую ударную вязкость при 3 минимальной температуре эксплуатации (минус 50°С) [2].

В настоящее время для реакторов на быстрых нейтронах (типа БН) в качестве перспективных конструкционных материалов для поэтапного повышения выгорания рассматриваются стали практически всех классов: аустенитные, ферритные и ферритно-мартенситные.

С 2004 г. во ВНИИНМ им. Бочвара были начаты работы по созданию дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) ферритно-мартенситных сталей, получаемые методами порошковой металлургии, сочетающих в себе высокую радиационную стойкость сталей ферритно-мартенсиного класса и высокую жаропрочность за счет присутствия в структуре термически стабильных оксидов размером 3−5 нм [3]. Как известно, работы над такими сталями применительно к использованию их в быстрых реакторах активно развиваются в Японии, США, Европе, Китае и других странах. ДУО стали рассматриваются как перспективные конструкционные материалы, способные работать в активной зоне реакторов [4−5].

Функциональные металлические композиционные материалы (МКМ) отличаются важной особенностью, присущей всем композитам, — их свойства можно изменять в широких пределах в зависимости от доли армирования. Таким образом, возможно конструирование материала, максимально соответствующего условиям эксплуатации с уникальными функциональными возможностями. Например, МКМ на основе алюминиевых сплавов или свинца, армированные бором (карбидом бора), используются для защиты от нейтронного излучения.

Хорошие перспективы у армированного борсодержащими частицами свинца. Первые эксперименты показали, что этот материал после армирования приобретает механическую прочность, повышенный модуль упругости, механическую и деформационную обрабатываемость на стандартном оборудовании на уровне, близком к обычным материалам. При этом поглощающие свойства композита могут даже повышать аналогичные характеристики свинца. В областях применения, не требующих высокой весовой эффективности, этот материал может стать незаменимым элементом конструкции, принимающим на себя часть эксплуатационных нагрузок [6]. 4.

Армирование алюминия частицами бора приводит к усилению защитных свойств композита и к появлению возможности его использования в качестве конструкционного материала, непосредственно интегрированного в конструкцию. В результате возникает композиционный материал конструкционно-функционального назначения. Из этого материала возможно изготавливать защитные контейнеры для перевозки радиоактивных материалов с высокой весовой эффективностью. Подобный материал уже сейчас широко применяют за рубежом в различных вариациях для изготовления спецконтейнеров и элементов защиты транспортных средств, работающих с расщепляющими материалами. Фирма Talon Composites, LLC рекламирует материал для защиты от нейтронного излучения Talbor®, представляющий собой МКМ на алюминиевой матрице, армированной карбидом бора (объемная доля от 1 до 40%) [7].

Даже краткий анализ имеющихся предложений по номенклатуре рекомендуемых материалов для изготовления транспортно упаковочных комплектов (ТУК) позволяет заметить то, что масса ТУК по многим предлагаемым конструкциям значительна, а коэффициент полезной загрузки невелик (не более 10%) [8]. Кроме того, необходимо отметить существующую проблему ядерной безопасности и отвода остаточного тепловыделения ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов), а значит поддержание необходимого температурного режима при транспортировке.

Интенсификацию теплоотвода от ТВЭЛов к корпусу контейнера может обеспечить применение в конструкции чехла материала с высокой теплопроводностью (например, алюминий или медь). Процесс передачи тепла через металлическую стенку корпуса не является препятствием в общей задаче теплоотвода от ТВЭЛов в силу теплопроводности металла.

Снижение массы контейнера без ухудшения его технологических характеристик, увеличение коэффициента полезной загрузки, стабилизация теплового режима и повышение параметров поглощения излучения — все эти требования могут быть реализованы за счет применения новых материалов на основе алюминия с добавками бора, смесей редкоземельных элементов (РЗЭ) или их оксидов. Такие материалы могут быть получены методом 5 механического легирования (МЛ).

Метод МЛ — один из методов порошковой металлургии, который позволяет получать дисперсно-упрочненные материалы, композиционные материалы. Благодаря этому методу можно добиться расширения растворимости легирующих добавок в материале матрицы и осуществить синтез равновесных и метастабильных кристаллических, а также аморфных фаз.

Метод МЛ дает возможность получить целый класс новых материалов, обладающих высоким уровнем поглощения нейтронного излучения, который зависит от содержания в них элементов с большим эффективным сечением захвата нейтронов (бор и РЗЭ — самарий, европий и гадолиний).

В то же время, МЛ алюминиевой матрицы РЗЭ не только дает возможность достичь высокого уровня поглощения нейтронов, но и приводит к существенному улучшению механических свойств матрицы за счет дисперсионного упрочнения.

Таким образом, композиционные материалы на основе алюминиевой матрицы с использованием в качестве легирующих элементов РЗЭ, обладают всеми качествами, необходимыми для производства ТУКов: эффективное поглощение нейтронного излучения, высокая теплопроводность, снижение массы контейнера, коррозионная стойкость.

Каким бы ни был состав сплава, и, тем более, для дисперсно упрочненных материалов, преимущества метода МЛ проявляются в полной мере тогда и только в том случае, когда последующая технология компактирования, термомеханической и термической обработки тщательно проработаны и хорошо отлажены.

Следует отметить, что статическое компактирование порошков, содержащих интерметаллиды высокой твердости, связано с определенными трудностями и проблемами: холодное прессование не позволяет получать плотные образцы, даже при отсутствии в них заметной при микроскопических исследованиях пористости физико-механические свойства этих образцов невысокигорячее прессование обеспечивает получение плотных заготовок, но протекающие фазовые превращения и укрупнение 6 структуры препятствуют реализации полезных свойств наполнителя [9]. Перспективными для уплотнения подобных материалов считаются методы интенсивной пластической деформации (ИПД), в частности метод равноканального углового прессования (РКУП).

Особенностью процессов РКУ прессования является совмещение воздействия на заготовку повышенного гидростатического давления и больших сдвиговых деформаций в переходной зоне канала [10]. Это позволяет в процессе компактирования порошковых заготовок при увеличении площади контакта между частицами разрушать оксидные пленки с образованием новых ювенильных поверхностей, которые способствуют схватыванию порошков.

На сегодняшний день актуальной проблемой является практическая реализация технологического процесса РКУ-прессования. Результаты исследований механических аспектов этого процесса носят отрывистый, а в ряде случаев, и противоречивый характер. Анализ особенностей формообразования порошковых заготовок при РКУ прессовании практически отсутствует. Остаются малоизученными характер течения реального материала в канале, особенности напряженно-деформированного состояния (НДС) материала, условия контактного трения. Решение этих проблем позволит сформулировать требования к формообразующему инструменту и рекомендации для практической реализации технологического процесса РКУ-прессования порошковых заготовок. Современные исследования различных физических процессов редко обходятся без предварительного математического моделирования, позволяющего избежать больших затрат, связанных с непосредственным исследованием, проводить комплексный анализ параметров процесса, оптимизировать его. Математическое моделирование процессов позволяет значительно сократить время получения результатов в совокупности с физическим моделированием, проводимым на современном испытательном оборудовании.

Таким образом целью настоящей работы является разработка практических рекомендаций для получения заготовок из композиционного материала с особыми радиационно-защитными свойствами на основе 7 механически легированных порошков системы алюминий-редкоземельные металлы с использованием методов интенсивной пластической деформации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ влияния режимов процесса механического легирования на микроструктуру, дисперсность и однородность распределения структурных элементов в порошковых композициях системы алюминий-редкоземельные металлыопределение состава порошковой композиции, пригодной для получения компактной заготовки в процессе уплотнения.

2. Физическое моделирование процессов уплотнения и пластического деформирования для определения реологических характеристик порошковой композиции. Математическое моделирование процесса РКУП заготовок из композиционных порошковых материалов в капсулевыбор схемы и технологических режимов деформации, позволяющих обеспечить рациональное сочетание уплотнения и пластического сдвига, для улучшения компактирования малопластичного порошкового материала.

3. Проектирование рабочего инструмента и практическая реализация процесса РКУП. Исследование геометрических и энергосиловых характеристик процесса уплотнения и деформации порошковой заготовки в канале матрицы и особенностей формирования структуры материала.

4. Разработка практических рекомендаций по осуществлению технологического процесса получения заготовок из композиционного материала с особыми радиационно-защитными свойствами на основе механически легированных порошков системы алюминий-редкоземельные металлы с использованием методов интенсивной пластической деформации.

Основные выводы по работе.

1. Разработаны практические рекомендации по осуществлению технологического процесса получения заготовок из композиционного материала с особыми радиационно-защитными свойствами на основе механически легированных порошков системы алюминий-редкоземельные металлы. Показано положительное влияние применения контейнера при РКУПопределен температурный интервал, в котором возможно компактирование и последующая пластическая обработка заготовкиопределены технологические параметры прокатки, позволяющие осуществить совместную деформацию слоистого материала с сохранением целостности менее пластичной композиционной сердцевины.

2. Из результатов исследования микроструктуры, формы частиц, уплотнямости, микротвердости и гранулометрического состава следует, что наиболее пригодной для компактирования является композиция А1+15% РЗЭ, легированная в течение 100 часов. Такое содержание смеси легирующих компонентов обеспечивает достаточно высокий уровень поглощающей способности полученного композита. Время легирования обеспечивает, с одной стороны, получение однородной слоистой микроструктуры порошка, а с другой стороны, позволяет получить сферические частицы заданного гранулометрического состава. Уменьшение времени легирования отрицательно влияет на однородность, а увеличение — приводит к росту микротвердости и образованию оскольчатых частиц, плохо поддающихся компактированию.

3. На основе физического моделирования разработана методика получения реологических характеристик механически-легированных порошковых композиций при различных температурах на комплексе аееЫе.

3800. Построены зависимости реологических характеристик от плотности.

130 материала при температурах 20 и 300 °C, которые использованы при математическом моделировании процессов деформирования заготовок РКУП и прокаткой.

4. Методом математического моделирования определен характер течения порошкового материала в капсулах в процессе РКУП. Установлено, что на первом этапе РКУП происходит осадка оболочки и уплотнение порошкового материала в вертикальном канале, второму этапу характерно доуплотнение материала за счет интенсивного сдвига в очаге деформации. На третьем этапе происходит выход процесса на стационарную стадию без изменения плотности порошкового материала.

5. На основе данных математического моделирования разработан и спроектирован инструмент для проведения равноканального углового прессования. С использованием прикладных программ экспресс анализа прочности конструкции проведен оценочный расчет сложной технологической оснастки для деформации порошковых материалов.

6. Методами математического моделирования определен характер течения скомпактированного материала в прокатных валках при различных обжатиях. Сравнением численного и натурного экспериментов определена предельная величина критерия разрушения Кокрофта-Латама при совместном деформировании материалов оболочки и труднодеформируемой композиционной сердцевины. Установлены неразрушающие режимы многопроходной горячей деформации слоистого композиционного материала.

Заключение

.

Таким образом на основе данных математического моделирования был разработан и спроектирован инструмент для проведения равноканального углового прессования. Показано, что применение программного пакета СоБтоБХ^огкз позволяет производить оценочный расчет сложной технологической оснастки для пластической деформации порошковых материалов.

Проведение натурного эксперимента показало, что энергосиловые параметры процесса и распределение пористости в образце после РКУП соответствуют результатам, полученным методами математического моделирования. Дальнейшая пластическая деформация методом горячей прокатки позволяет доуплотнить материал практически до беспористого состояния, при этом механические характеристики полученного композиционного материала значительно выше характеристик материала, полученного без применения методов ИПД.