Патент на изобретение №2342450

(54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии циркониевых сплавов и может быть использовано для тонкостенных экранов и штампосварных высоко и длительно нагруженных конструкций, обеспечивающих защиту от рентгеновского излучения (РИ). Технический результат заключается в получении сплава с высокими прочностными и технологическими свойствами, включая свариваемость, а также в повышении стойкости против рентгеновского излучения в 4 раза и более. Это достигается тем, что циркониевый сплав содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: ниобий – 4,0-5,5; гафний – 22,5-25,0; иттрий – 0,01-0,1; цирконий – остальное. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии циркониевых сплавов и может быть использовано для тонкостенных экранов и штампосварных высоко и длительно нагруженных конструкций, обеспечивающих защиту от рентгеновского излучения (РИ).

При изготовлении указанных изделий необходимо учитывать три основных фактора:

– сплав должен обладать достаточно стабильным фазовым составом, чтобы обеспечить высокую технологическую пластичность, в том числе сварных соединений, и равномерность поглощения потока РИ всей поверхностью конструкции;

– сплав должен обеспечивать достаточную защиту от РИ, в том числе жесткого спектра: коэффициент ослабления К₀90;

– сплав должен обладать высокой удельной прочностью (_в/12 км), чтобы быть альтернативой конструкционным магниевым сплавам.

Известен серийный сплав на основе циркония – -сплав Э110 (Мальцев М.В. «Металлургия тугоплавких, редких и радиоактивных металлов и сплавов». М.: Металлургия, 1971, с.168-174), который выпускается серийно и имеет следующий химический состав, мас.%: ниобий – 1%; цирконий – остальное.

Недостатком этого сплава является низкий уровень прочностных свойств:

_в300 МПа; _0,2180 МПа, а также недостаточная защитная способность от РИ: коэффициент ослабления К₀50.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому предложению является сплав на основе циркония – циркониевый псевдо -сплав Э125, достаточно широко применяемый в атомной промышленности в слабо нагруженных конструкциях, выбранный в качестве прототипа (то же, c.168), имеющий следующий химический состав, мас.%: ниобий – 2,5; цирконий – остальное.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание сплава, способного обеспечить эффективную защиту от РИ, в том числе жесткого спектра, обладающего одновременно благоприятным сочетанием высоких прочностных и технологических свойств, включая свариваемость.

Ожидаемый технический результат заключается в получении сплава с заданными свойствами и повышении стойкости против рентгеновского излучения в 4 раза и более. Это достигается тем, что циркониевый сплав, содержащий ниобий, дополнительно легирован гафнием и иттрием в следующем соотношении компонентов, мас.%: ниобий – 4,0-5,5; гафний – 22,5-25,0; иттрий – 0,01-0,1; цирконий – остальное.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава выплавили несколько композиций сплава в виде слитков двойного вакуумно-дугового переплава, из которых изготовили прутки диаметром 12 мм и листы толщиной 2 мм. Из полученных полуфабрикатов изготовили образцы для механических испытаний как основного металла, так и сварных соединений.

Помимо этого были изготовлены также образцы для экспериментальной оценки кратности ослабления РИ, которую осуществляли методом подбора свинцового эквивалента и последующего сопоставления рентгеновских снимков изучаемых материалов и свинцового клина, а затем по свинцовому эквиваленту с помощью таблиц ориентировочно оценивали коэффициент ослабления циркониевых сплавов. Для проверки полученных результатов выборочно использовали расчетный метод по формуле

где K_осл – кратность ослабления РИ;

U₀ – величина падающего потока РИ;

U – величина прошедшего потока РИ;

(Е) – массовый коэффициент ослабления;

m – массовая толщина, г/см²;

(Е) – спектральное распределение энергии РИ.

Расчет проводили с помощью ЭВМ по программе, составленной на языке «Фортран-IV», при этом массовая толщина была выбрана равной 0,8 г/см².

Сварку образцов проводили аргонодуговым методом без присадки.

Химический состав и свойства исследуемых сплавов и сплавов запредельного состава приведены в таблице.

В приведенной таблице представлены результаты испытаний сплавов разработанной композиции. Для сравнения приведены данные для прототипа и композиций с уровнем легирования ниже и выше, чем для разработанного сплава. При этом механические свойства сплавов представлены в отожженном и термически упрочненном состояниях.

Результаты экспериментальных исследований
Композиция сплава	Основной металл, сварные соединения, состояние	0,2, МПа	в, МПА	, %	KCU, Дж/см2	Косл при массовой толщине 0,8 г/см2
1. Э125	Основной металл, отж.	280	450	25	98	70
	Сварное соед., отж.	260	400	20	80	70
2. Zr – 3,8 Nb – 22Hf – 0,008Y	Основной металл, отж.	760	810	14	71	210
	Основной металл, т/у	770	840	8,9	62	220
	Сварное соед., отж.	–	800	–	75	220
3. Zr – 4,15 Nb – 22,6 Hf – 0,02Y	Основной металл, отж.	760	830	14,1	73	280
	Основной металл, т/у	790	970	8,3	60	280
	Сварное соед., отж.	–	830	–	73	280
4. Zr – 4,8 Nb – 23,8 Hf – 0,02Y	Основной металл, отж.	800	855	12,8	68	400
	Основной металл, т/у	900	1080	8,0	45	400
	Сварное соед., отж.	–	845	–	69	–
5. Zr – 5,1 Nb – 24,2 Hf – 0,05Y	Основной металл, отж.	810	860	12,7	67	490
	Основной металл, т/у	900	1090	7,8	45	–
6. Zr – 5,4 Nb – 24,8 Hf – 0,08Y	Основной металл, отж.	820	890	11	58	600
	Основной металл, т/у	930	1140	6,5	43	–
	Сварное соед., отж.	–	890	–	60	–
7. Zr – 5,8 Nb – 25,6 Hf – 0,1Y	Основной металл, отж.	850	930	8,1	48	650
	Основной металл, т/у	980	1200	4,8	28	–

Примечание к таблице:

1. Режим отжига основного металла: нагрев при 700°С в течение 1 час, охлаждение на воздухе.

2. Режим термического упрочнения: нагрев при 800°С в течение 30 мин, охлаждение в воде, последующее старение при 450°С в течение 5 час, охлаждение на воздухе.

3. Режим отжига сварного соединения для снятия остаточных напряжений: нагрев при 700°С в течение 20 мин, охлаждение на воздухе.

4. Режим отжига сплава Э125: нагрев при 700°С в течение 1 часа, охлаждение на воздухе.

5. Результаты исследования механических свойств пруткового материала в таблице не представлены, так как они практически идентичны результатам, полученным на листовом материале.

6. Содержание иттрия в сплаве расчетное по шихте.

Из анализа табличных данных следует, что сплав предлагаемого состава значительно превосходит прототип по стойкости против РИ (коэффициент ослабления 280-600 против 70), а также по прочностным свойствам как в отожженном, так и в термоупрочненном состояниях. В последнем случае сплав сохраняет достаточно высокие значения пластичности, что обусловливает возможность его использования в качестве конструкционного материала в высоконагруженных узлах изделий.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав сплава отличается от известного введением новых легирующих элементов, а именно гафния и иттрия, и повышенного содержания ниобия. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Введение в состав гафния и иттрия, повышенного количества ниобия сообщило новому сплаву свойства, которыми не обладают известные циркониевые сплавы, а именно очень высокую защитную способность от РИ (заслуга Hf и Y) и заметно более высокие прочностные характеристики при сохранении достаточной пластичности и технологичности. Последнее – заслуга повышенного содержания ниобия, что позволило вывести сплав в двухфазную (+) область и, следовательно, обеспечить возможность термического упрочнения.

Таким образом, данное соотношение компонентов придает сплаву новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «существенные отличия».

Использование заявляемого технического решения позволит:

– радикально повысить надежность защиты приборных отсеков (ПО) изделий РКТ от рентгеновского излучения различных спектров и одновременно повысить технологичность изготовления защитных экранов;

– открывает возможность использования сплава непосредственно в качестве конструкционного материала для изготовления корпусов ПО взамен магниевых сплавов без необходимости защиты от РИ и повышенных температур, что, в конечном счете, позволит снизить финансовые затраты, а также повысить весовое совершенство узлов;

– открывает возможность использования сплава вместо свинца в промышленных и медицинских рентгеновских лабораториях с обеспечением значительно более эффективной защиты от РИ, исключения из процесса вредного свинца, снижения веса защиты в 4-5 раз, что особенно важно для мобильных рентгеновских установок, заметно снизит финансовые затраты.

Формула изобретения

Сплав на основе циркония, содержащий ниобий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: