Сплав на основе циркония
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 К0≥90;
- сплав должен обладать высокой удельной прочностью (σв/γ≥12 км), чтобы быть альтернативой конструкционным магниевым сплавам.
Известен серийный сплав на основе циркония - α-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:
σв≥300 МПа; σ0,2≥180 МПа, а также недостаточная защитная способность от РИ: коэффициент ослабления К0≤50.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому предложению является сплав на основе циркония - циркониевый псевдо α-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 Kосл - кратность ослабления РИ;
U0 - величина падающего потока РИ;
U - величина прошедшего потока РИ;
μ(Е) - массовый коэффициент ослабления;
m - массовая толщина, г/см2;
ϕ(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 | σ0,2, МПа | σв, МПА | δ, % | 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 (α+β) 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.
Сплав на основе циркония, содержащий ниобий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| ниобий | 4,0-5,5 |
| гафний | 22,5-25,0 |
| иттрий | 0,01-0,1 |
| цирконий | остальное |
