Помощь студентам в учебе
Структурно-фазовое состояние многослойных хромсодержащих покрытий при высокотемпературном окислении
|
Введение 15
Глава 1. Литературный обзор 18
1.1. Краткая характеристика проблемы 18
1.2. Потенциальные материалы для модификации тепловыделяющих оболочек 20
1.3. Покрытия на основе нитридов 26
1.4. Покрытия на основе хрома 32
Глава 2. Материалы и методы 37
2.1. Подготовка образцов 37
2.2. Нанесение покрытий 37
2.3. Испытание на окисление 39
2.4. Анализ структурно-фазового состояния 39
Глава 3. Результаты эксперимента 43
3.1. Фотографии образцов до и после окисления 43
3.2. Сканирующая электронная микроскопия исходных покрытий 44
3.3. Оптическая микроскопия после окисления 45
3.4. Результаты коррозионного привеса 48
3.5. Ex situ дифракция 49
3.6. In situ дифракция 53
3.7. Исследования при сверхвысоких температурах 59
Глава 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 63
4.1. Предпроектный анализ 63
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 63
4.1.2. Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффктивности и ресурсосбережения 64
4.1.3. SWOT-анализ 66
4.1.4. Оценка готовности проекта к коммерциализации 68
4.1.5. Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 70
4.2. Инициация проекта 71
4.3. Планирование управления научно-техническим проектом 72
4.3.1. План проект 73
4.4. Бюджет научного проекта 75
4.5. Операционные затраты 82
4.5.1. Организационная структура проекта 82
4.5.2. План управления коммуникациями проекта 83
4.5.3. Реестр рисков проекта 83
4.6. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности 84
4.6.1. Оценка абсолютной эффективности исследования 84
4.6.2. Оценка сравнительной эффективности исследования 89
Глава 5 Социальная ответственность 93
Введение 93
5.1. Производственная безопасность 93
5.1.1. Отклонение показателей микроклимата 93
5.1.2. Превышение уровня шума 95
5.1.3. Повышенный уровень электромагнитных излучений 96
5.1.4. Ионизирующее излучение 98
5.1.5. Поражение электрическим током 100
5.1.6. Освещенность 101
5.1.7. Пожарная опасность 105
5.2. Экологическая безопасность 107
5.2.1. Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду 107
5.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 108
5.3.1. Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть на рабочем месте при
проведении исследований 108
5.3.2. Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка
действия в случае возникновения ЧС 109
Заключение 110
Приложение А 111
Приложение Б Раздел на иностранном языке 114
Список литературы 136
Глава 1. Литературный обзор 18
1.1. Краткая характеристика проблемы 18
1.2. Потенциальные материалы для модификации тепловыделяющих оболочек 20
1.3. Покрытия на основе нитридов 26
1.4. Покрытия на основе хрома 32
Глава 2. Материалы и методы 37
2.1. Подготовка образцов 37
2.2. Нанесение покрытий 37
2.3. Испытание на окисление 39
2.4. Анализ структурно-фазового состояния 39
Глава 3. Результаты эксперимента 43
3.1. Фотографии образцов до и после окисления 43
3.2. Сканирующая электронная микроскопия исходных покрытий 44
3.3. Оптическая микроскопия после окисления 45
3.4. Результаты коррозионного привеса 48
3.5. Ex situ дифракция 49
3.6. In situ дифракция 53
3.7. Исследования при сверхвысоких температурах 59
Глава 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 63
4.1. Предпроектный анализ 63
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 63
4.1.2. Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффктивности и ресурсосбережения 64
4.1.3. SWOT-анализ 66
4.1.4. Оценка готовности проекта к коммерциализации 68
4.1.5. Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 70
4.2. Инициация проекта 71
4.3. Планирование управления научно-техническим проектом 72
4.3.1. План проект 73
4.4. Бюджет научного проекта 75
4.5. Операционные затраты 82
4.5.1. Организационная структура проекта 82
4.5.2. План управления коммуникациями проекта 83
4.5.3. Реестр рисков проекта 83
4.6. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности 84
4.6.1. Оценка абсолютной эффективности исследования 84
4.6.2. Оценка сравнительной эффективности исследования 89
Глава 5 Социальная ответственность 93
Введение 93
5.1. Производственная безопасность 93
5.1.1. Отклонение показателей микроклимата 93
5.1.2. Превышение уровня шума 95
5.1.3. Повышенный уровень электромагнитных излучений 96
5.1.4. Ионизирующее излучение 98
5.1.5. Поражение электрическим током 100
5.1.6. Освещенность 101
5.1.7. Пожарная опасность 105
5.2. Экологическая безопасность 107
5.2.1. Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду 107
5.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 108
5.3.1. Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть на рабочем месте при
проведении исследований 108
5.3.2. Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка
действия в случае возникновения ЧС 109
Заключение 110
Приложение А 111
Приложение Б Раздел на иностранном языке 114
Список литературы 136
Атомная энергетика на сегодняшний день является одним из самых эффективных способов получения большого количества энергии при минимальных затратах. Несмотря на современные тенденции развития альтернативных источников энергии, найти такую же выгодную альтернативу ядерной энергетике, особенно в промышленных областях, просто невозможно. Однако высокая энергетическая эффективность сопряжена с большой угрозой окружающей среде и человеческому здоровью и даже жизни. Произошедшая 26 апреля 1986 года трагедия на 4 энергоблоке в городе Чернобыль продемонстрировала, что может случится, если не создать множество систем безопасности для подобного типа энергетики. С того момента в области безопасности ядерной энергетики произошли глобальные изменения. Однако, авария в трех энергоблоках «Fukushima Daiich» в марте 2011 года [1] продемонстрировала, что меры безопасности все еще далеки от совершенства.
Данный инцидент поставил перед научными группами вопрос об альтернативных материалах для защиты тепловыделяющих оболочек (ТВЭЛ) при эксплуатации легководных реакторов (ЛВР) при аварийных ситуациях. На сегодняшний день разработан ряд покрытий способный функционировать при штатном режиме работы реактора (360°С, 18,6 МПа). Однако, большинство из них демонстрируют низкую надежность при возникновении аварийных ситуаций, сопровождающихся резким повышением температуры. В связи с этим атомная промышленность заинтересована в исследованиях материалов, способных повысить безопасность реакторов в случае возникновения аварий с потерей теплоносителя (Loss of Coolant Accidents или LOCA), которая характеризуется температурой ~ 1200°C и высокой интенсивностью коррозионных процессов. [2].
Следует отметить, что в качестве решения подобной проблемы существует два принципиально разных подхода. Один из них подразумевает замену самого материала из которого изготавливается ТВЭЛ, в то время как второй подразумевает нанесение покрытий на уже существующие соединения на основе Zr. В таком случае к покрытиям, предназначенным для нанесения на цирконий предъявляется ряд требований, а именно: малое сечение захвата тепловых нейтронов, низкая водородопроницаемость, высокая коррозионная и радиационная стойкость, адгезионная прочность и высокая износостойкость. Особые требования предъявляются к стойкости материалов к высокотемпературному окислению и растрескиванию под действием механических воздействий (например, на этапе изготовления тепловыделяющих сборок или при циклических деформациях Zr оболочек в турбулентном потоке теплоносителя) и микронапряжений, создаваемых в покрытии за счёт разницы коэффициентов температурного расширения материала покрытия и циркониевого сплава.
В настоящее время наиболее подходящим материалом для подобных покрытий является Cr, так как он соответствует заявленным критериями. Однако, при температурах ~ 1200°C наблюдается активная взаимная диффузия между атомами Cr и Zr, что приводит к образованию эвтектической фазы Cr2Zr и росту микрозерен ZrO2на границах зёрен хрома, что усиливает диффузию кислорода к циркониевому сплаву Э110. В результате этого происходит растрескивание покрытие, что приводит к ускорению процесса окисления и потери защитных свойств ТВЭЛов.
Для предотвращения данных процесс предлагается использовать защитные покрытия с оптимальным элементным и фазовым составом, целью которого будет повышение коррозионной и радиационной стойкости, стойкости к тепловому удару, трещиностойкости и износостойкости циркониевого сплава в штатных условиях эксплуатации и при возможных аварийных условиях
Целью представленной работы является изучение структурно-фазового состояния циркониевого сплава Э110 с многослойными покрытиями CrN/Cr различной архитектуры при высокотемпературном окислении.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
- Сформировать однослойные и многослойные покрытия на основе хрома и нитрида хрома методом реактивного магнетронного распыления.
- Провести высокотемпературное окисление циркониевого сплава с однослойными и многослойными покрытиями.
- Установить закономерности изменения структурно-фазового состояния сформированных покрытий при высокотемпературном окислении.
Положения, выносимые на защиту:
1. Формирование многослойных хромовых покрытий CrN/Cr различной архитектуры на циркониевом сплаве Э110 методом магнетронного распыления приводит к увеличению коррозионной стойкости на воздухе при 1100 °С.
2. Механизм подавления взаимной диффузии хрома и циркония, заключающийся в формировании барьерного слоя ZrN в результате разложения фаз нитрида хрома различной стехиометрии.
Данный инцидент поставил перед научными группами вопрос об альтернативных материалах для защиты тепловыделяющих оболочек (ТВЭЛ) при эксплуатации легководных реакторов (ЛВР) при аварийных ситуациях. На сегодняшний день разработан ряд покрытий способный функционировать при штатном режиме работы реактора (360°С, 18,6 МПа). Однако, большинство из них демонстрируют низкую надежность при возникновении аварийных ситуаций, сопровождающихся резким повышением температуры. В связи с этим атомная промышленность заинтересована в исследованиях материалов, способных повысить безопасность реакторов в случае возникновения аварий с потерей теплоносителя (Loss of Coolant Accidents или LOCA), которая характеризуется температурой ~ 1200°C и высокой интенсивностью коррозионных процессов. [2].
Следует отметить, что в качестве решения подобной проблемы существует два принципиально разных подхода. Один из них подразумевает замену самого материала из которого изготавливается ТВЭЛ, в то время как второй подразумевает нанесение покрытий на уже существующие соединения на основе Zr. В таком случае к покрытиям, предназначенным для нанесения на цирконий предъявляется ряд требований, а именно: малое сечение захвата тепловых нейтронов, низкая водородопроницаемость, высокая коррозионная и радиационная стойкость, адгезионная прочность и высокая износостойкость. Особые требования предъявляются к стойкости материалов к высокотемпературному окислению и растрескиванию под действием механических воздействий (например, на этапе изготовления тепловыделяющих сборок или при циклических деформациях Zr оболочек в турбулентном потоке теплоносителя) и микронапряжений, создаваемых в покрытии за счёт разницы коэффициентов температурного расширения материала покрытия и циркониевого сплава.
В настоящее время наиболее подходящим материалом для подобных покрытий является Cr, так как он соответствует заявленным критериями. Однако, при температурах ~ 1200°C наблюдается активная взаимная диффузия между атомами Cr и Zr, что приводит к образованию эвтектической фазы Cr2Zr и росту микрозерен ZrO2на границах зёрен хрома, что усиливает диффузию кислорода к циркониевому сплаву Э110. В результате этого происходит растрескивание покрытие, что приводит к ускорению процесса окисления и потери защитных свойств ТВЭЛов.
Для предотвращения данных процесс предлагается использовать защитные покрытия с оптимальным элементным и фазовым составом, целью которого будет повышение коррозионной и радиационной стойкости, стойкости к тепловому удару, трещиностойкости и износостойкости циркониевого сплава в штатных условиях эксплуатации и при возможных аварийных условиях
Целью представленной работы является изучение структурно-фазового состояния циркониевого сплава Э110 с многослойными покрытиями CrN/Cr различной архитектуры при высокотемпературном окислении.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
- Сформировать однослойные и многослойные покрытия на основе хрома и нитрида хрома методом реактивного магнетронного распыления.
- Провести высокотемпературное окисление циркониевого сплава с однослойными и многослойными покрытиями.
- Установить закономерности изменения структурно-фазового состояния сформированных покрытий при высокотемпературном окислении.
Положения, выносимые на защиту:
1. Формирование многослойных хромовых покрытий CrN/Cr различной архитектуры на циркониевом сплаве Э110 методом магнетронного распыления приводит к увеличению коррозионной стойкости на воздухе при 1100 °С.
2. Механизм подавления взаимной диффузии хрома и циркония, заключающийся в формировании барьерного слоя ZrN в результате разложения фаз нитрида хрома различной стехиометрии.
В результате проделанной работы установлено, что использование многослойных покрытий увеличило коррозионную стойкость циркониевых сплавов Э110 в условиях, эмитирующих аварию с потерей теплоносителя. Использование многослойных покрытий на основе CrN/Cr позволяет замедлять процесс взаимной диффузии хрома и циркония.
В результате работы были получены следующие выводы:
1. Выявлено, что при 40 минутах окисления в образце с однослойным покрытием a-Cr полностью трансформируется в Cr2O3
2. Продемонстрировано, что в образцах с многослойным покрытием в результате окисления фазовый состав представлен: Zr3O, Cr2O3, ZrO2в моноклинной и тетрагональной модификациях, ZrN, CrN, Cr2N
3. Продемонстрировано, что многослойные покрытия CrN/Cr-250 при высокотемпературном окислении в течение 40 минут имеют наименьший коррозионный привес равный 7,5 мг/см2 и содержат фазу a-Cr в количестве 53 масс.%
4. Установлено, что многослойные покрытия эффективнее предотвращают взаимную диффузию атомов хрома и циркония за счет образования слоя ZrN на границе покрытие-подложка
5. Установлено, что время фазообразования Cr2Zr для различных образцов составило: 6 мин - CrN/Cr-50; 12 мин - CrN/Cr-250; 10 мин - CrN/Cr-500
6. Установлено, что формирование фазы Cr2Zr в однослойных покрытиях наблюдается при температуре 1200°С, а при многослойных покрытиях CrN/Cr-250 температура образования фазы Cr2N на увеличивается на 150°С
В результате работы были получены следующие выводы:
1. Выявлено, что при 40 минутах окисления в образце с однослойным покрытием a-Cr полностью трансформируется в Cr2O3
2. Продемонстрировано, что в образцах с многослойным покрытием в результате окисления фазовый состав представлен: Zr3O, Cr2O3, ZrO2в моноклинной и тетрагональной модификациях, ZrN, CrN, Cr2N
3. Продемонстрировано, что многослойные покрытия CrN/Cr-250 при высокотемпературном окислении в течение 40 минут имеют наименьший коррозионный привес равный 7,5 мг/см2 и содержат фазу a-Cr в количестве 53 масс.%
4. Установлено, что многослойные покрытия эффективнее предотвращают взаимную диффузию атомов хрома и циркония за счет образования слоя ZrN на границе покрытие-подложка
5. Установлено, что время фазообразования Cr2Zr для различных образцов составило: 6 мин - CrN/Cr-50; 12 мин - CrN/Cr-250; 10 мин - CrN/Cr-500
6. Установлено, что формирование фазы Cr2Zr в однослойных покрытиях наблюдается при температуре 1200°С, а при многослойных покрытиях CrN/Cr-250 температура образования фазы Cr2N на увеличивается на 150°С