Стабильность оксидов системы Y–Ti–O в реакторных материалах в условиях нейтронного облучения при повышенных температурах

Представлены результаты микроструктурных исследований образцов из стали ЭП-450 ДУО в исходном состоянии и после нейтронного облучения в реакторе БН-600 (при ~1000°C до повреждающей дозы 77,5 сна) с использованием просвечивающей и растровой электронной микроскопии, а также атомно-зондовой томографии. Показано, что основной вклад в упрочнение стали ЭП-450 ДУО в исходном состоянии вносят частицы Y-Ti-O, большая часть которых имеет тип Y₂Ti₂O₇ (иногда с добавкой Si) с некоторым отклонением от стехиометрии. После нейтронного облучения при ~1000°C основное упрочнение вносят выделения α'-фазы. Плотность оксидных частиц на основе иттрия в стали ЭП-450 ДУО после облучения существенно ниже, чем в исходном состоянии, что может быть обусловлено как влиянием облучения, так и различием образцов стали в исходном и облученном состояниях. Также показаны основные ориентационные соотношения между выделениями оксидных частиц и матрицей. Анализ зеренной структуры показал, что сталь ЭП-450 ДУО в исходном состоянии характеризуется наличием зерен размером 30-50 мкм, незначительно вытянутых вдоль направления прокатки. Облучение при температуре свыше 1000°С приводит к значительному изменению зеренной структуры, что обусловлено, вероятно, протеканием процесса рекристаллизации.

1. Wharry J. P., Swenson M. J., Yano K. H. A review of the irradiation evolution of dispersed oxide nanoparticles in the b.c.c. Fe-Cr system: Current understanding and future directions // J. Nucl. Mater. -2017. - V. 486. - P. 11-20.

2. Allen T. R., Gan J., Cole J. I., Miller M. K., Busby J. T., Shutthanandan S., Thevuthasan S. Radiation response of a 9 chromium oxide dispersion strengthened steel to heavy ion irradiation // J. Nucl. Mater. - 2008. - V. 375, N 1. - P. 26-37.

3. Chen T., Gigax J. G., Price L., Chen D., Ukai S., Aydogan E., Maloy S. A., Garner F. A., Shao L. Temperature dependent dispersoid stability in ion-irradiated ferritic-martensitic dual-phase oxidedispersion-strengthened alloy: Coherent interfaces vs. incoherent interfaces // Acta Mater. - 2016. - V. 116. - P. 29-42.

4. Auger M. A., Hoelzer D. T., Field K. G., Moody M. P. Nanoscale analysis of ion irradiated ODS 14YWT ferritic alloy // J. Nucl. Mater. - 2020. - V. 528.

5. Lescoat M.-L., Ribis J., Chen Y., Marquis E.A., Bordas E., Trocellier P., Serruys Y., Gentils A., Kaitasov O., de Carlan Y., Legris A. Radiation-induced Ostwald ripening in oxide dispersion strengthened ferritic steels irradiated at high ion dose // Acta Mater. - 2014. - V. 78. - P. 328-340.

6. Ribis J., Bordas E., Trocellier P., Serruys Y., de Carlan Y., Legris A. Comparison of the neutron and ion irradiation response of nano-oxides in oxide dispersion strengthened materials // J. Mater. Res. - 2015. V. 30, N 14. - P. 2210-2221.

7. Certain A., Kuchibhatla S., Shutthanandan V., Hoelzer D.T., Allen T.R. Radiation stability of nanoclusters in nano-structured oxide dispersion strengthened (ODS) steels // J. Nucl. Mater. - 2013. - V. 434, N 1-3. - P. 311-321.

8. Ukai S., Ohtsuka S., Kaito T., de Carlan Y., Ribis J., Malaplate J. Oxide dispersion-strengthened/ferrite-martensite steels as core materials for Generation IV nuclear reactors // Struct. Mater. Gener. IV Nucl. React. Elsevier Ltd, 2017. - P. 357-414 p.

9. Klueh R. L., Shingledecker J. P., Swindeman R. W., Hoelzer D. T. Oxide dispersion-strengthened steels: A comparison of some commercial and experimental alloys // J. Nucl. Mater. - 2005. - V. 341. - N 2-3. - P. 103-114.

10. International Atomic Energy Agency. Structural Materials for Liquid Metal Cooled Fast Reactor Fuel Assemblies - Operational Behaviour STI/PUB/1548 // IAEA Nucl. Energy Ser. Vienna, 2012. - 103 p.

11. Nikitina A. A., Ageev V. S., Chukanov A. P., Tsvelev V. V., Porezanov N. P., Kruglov O. A. R&D of ferritic-martensitic steel EP450 ODS for fuel pin claddings of prospective fast reactors // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V. - 2012. - V. 428, N 1-3. - P. 117-124.

12. Никитина А. А., Агеев В. С., Леонтьева-Смирнова М. В., Митрофанова Н. М., Науменко И. А., Целищев А. В., Чернов В. М. Развитие работ по конструкционным материалам активных зон быстрых реакторов // Атомная Энергия. - 2015. - V. 119, N 5. - P. 243-249.

13. Gurovich B. A., Frolov A. S., Kuleshova E. A., Maltsev D. A., Safonov D. V., Fedotova S. V., Kochkin V. N., Panferov P. P. Structural evolution features of the 42XNM alloy during neutron irradiation under VVER conditions // J. Nucl. Mater. - 2021. - V. 543. - P. 152557.

14. Miller M. K., Forbes R. G. Atom-Probe Tomography. Boston, MA: Springer US, 2014.

15. Marquis E. A., Hyde J. M. Applications of atom-probe tomography to the characterisation of solute behaviours // Mater. Sci. Eng. R Reports. Elsevier B.V. - 2010. - V. 69, N 4-5. - P. 37-62.

16. Menut D., Bechade J.-L., Cammelli S., Schlutig S., Sitaud B., Solari P. L. Synchrotron radiation investigations of microstructural evolutions of ODS steels and Zr-based alloys irradiated in nuclear reactors // J. Mater. Res. - 2015. - V. 30, N 9. - P. 1392-1402.

17. Ribis J. Structural and chemical matrix evolution following neutron irradiation in a MA957 oxide dispersion strengthened material // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V. - 2013. - V. 434, N 1-3. - P. 178-188.

18. Rogozhkin S. V., Aleev A. A., Zaluzhnyi A. G., Nikitin A. A., Iskandarov N. A., Vladimirov P., Lindau R., Moslang A. Atom probe characterization of nano-scaled features in irradiated ODS Eurofer steel // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V. - 2011. - V. 409, N 2. - P. 94-99.

19. Lescoat M.-L., Ribis J., Gentils A., Kaitasov O., de Carlan Y., Legris A. In situ TEM study of the stability of nano-oxides in ODS steels under ion-irradiation // J. Nucl. Mater. - 2012. - V. 428, N 1-3. - P. 176-182.

20. Swenson M. J., Wharry J. P. The comparison of microstructure and nanocluster evolution in proton and neutron irradiated Fe-9%Cr ODS steel to 3 dpa at 500 °c // J. Nucl. Mater. - 2015. - V. 467. - P. 97-112.

21. Swenson M. J., Dolph C. K., Wharry J. P. The effects of oxide evolution on mechanical properties in proton- and neutron-irradiated Fe-9%Cr ODS steel // J. Nucl. Mater. Elsevier B.V. - 2016. -V. 479. - P. 426-435.

22. Monnet I., Dubuisson P., Serruys Y., Ruault M.O., Kaf'tasov O., Jouffrey B. Microstructural investigation of the stability under irradiation of oxide dispersion strengthened ferritic steels // J. Nucl. Mater. 2004. - V. 335, N 3. - P. 311-321.

23. Akasaka N., Yamashita S., Yoshitake T., Ukai S., Kimura A. Microstructural changes of neutron irradiated ODS ferritic and martensitic steels // J. Nucl. Mater. - 2004. - V. 329-333. - P. 1053-1056.

24. Miller M. K., Hoelzer D. T. Effect of neutron irradiation on nanoclusters in MA957 ferritic alloys // J. Nucl. Mater. - 2011. - V. 418, N 1-3. - P. 307-310.

25. Kuksenko V., Pareige C., Genevois C., Cuvilly F., Roussel M., Pareige P. Effect of neutron-irradiation on the microstructure of a Fe-12at.%Cr alloy // J. Nucl. Mater. - 2011. - V. 415, N 1. - P.6166.

26. Bachhav M., Robert Odette G., Marquis E.A. a' precipitation in neutron-irradiated Fe-Cr alloys // Scr. Mater. - 2014. - V. 74. - P. 48-51.

27. Bachhav M., Robert Odette G., Marquis E. A. Microstructural changes in a neutron-irradiated Fe-15 at.%Cr alloy // J. Nucl. Mater. - 2014. - V. 454, N 1-3. - P. 381-386.

28. Rogozhkin S. V., Iskandarov N. A., Aleev A. A., Zaluzhnyi A. G., Kuibida R. P., Kulevoi T. V., Chalykh B. B., Leontieva-Smirnova M. V., Mozhanov E.M. Investigation of the influence of irradiation with Fe ions on the nanostructure of ferritic martensitic steel EK-181 // Inorg. Mater. Appl. Res. - 2013. - V. 4, N 5. - P. 426-430.

29. Styman P. D., Hyde J. M., Wilford K., Parfitt D., Riddle N., Smith G. D. W. Characterisation of interfacial segregation to Cu-enriched precipitates in two thermally aged reactor pressure vessel steel welds // Ultramicroscopy. - 2015. - V. 159. - P. 292-298.