сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана

Классы МПК:C22C14/00 Сплавы на основе титана
G21C7/06 с помощью нейтронопоглощающих веществ, те веществ с очень малыми отражающими сечениями по сравнению с сечениями поглощения 
G21F1/00 Состав материалов для защиты от излучений
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Общество с ограниченной ответственностью "МетИнвест" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-05-17
публикация патента:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана содержит, вес. %: углерод 0,03-0,10; железо 0,15-0,25; кремний 0,05-0,12; азот 0,01-0,04; алюминий 1,8-2,5; цирконий 2,0-3,0; самарий 0,5-5,0; титан и примеси остальное. Сплав обладает повышенным уровнем поглощения тепловых нейтронов, высокими эксплуатационными и пластическими свойствами. 3 табл., 1 пр.

Формула изобретения

Сплав на основе титана для поглощения тепловых нейтронов, содержащий углерод, железо, кремний, азот, алюминий, цирконий и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит самарий при следующем содержании компонентов, вес.%:

Углерод0,03-0,10
Железо0,15-0,25
Кремний0,05-0,12
Азот0,010-0,04
Алюминий1,8-2,5
Цирконий2,0-3,0
Самарий0,5-5,0
Титан и примеси остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Традиционные нерадиоактивные металлы, используемые более 50 лет в атомных энергетических установках, - это циркониевые сплавы (сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 125, сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 225), коррозионно-стойкая сталь (08Х18Н10Т) и бористая сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф). Последняя за счет содержания бора обладает свойством поглощения тепловых нейтронов. В настоящее время из нее изготавливают шестигранные трубы для комплектации стеллажей свежего ядерного топлива и бассейнов выдержки отработанных тепловыделяющих сборок.

Эта сталь получила широкое применение в атомном машиностроении, разработаны и утверждены ТУ14-1-3689-83, ТУ14-1-4599-89 на получение трубной заготовки из стали ЧС82. А также разработана технология получения горячекатаных труб из этой стали (ТУ14-242-275-89), которые служат заготовкой для получения шестигранных труб (ТУ14-3-1630-89).

Современные требования к материалам, которые способны поглощать тепловые нейтроны от радиоактивных элементов, диктуют повышение уровня поглощения. Увеличение содержания бора в стали ЧС82 от традиционного содержания (1,5-1,8)% согласно ТУ14-1-4599-89, например, до 2,5% делает сталь ЧС82 хрупкой и не пригодной для применения по назначению. Известен сплав на основе титана для поглощения тепловых нейтронов (патент РФ № 2483132, БИ № 15 от 27.05.13 г.), где содержание бора в диапазоне (1,5-3,5)%. Для увеличения поглощающих свойств необходимо увеличивать содержание бора в сплаве согласно современным требованиям - до 10%. Однако элемент бор и его изотоп 10 В, обладающий максимальной поглощающей способностью, существенно «охрупчивает» не только стали на основе железа, но и сплавы на основе титана. Это общее свойство боридов.

В табл.1, на основании известных данных из справочника: Свойства элементов: Справ. Издание в 2-х книгах. / Под ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003, представлены значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов титана, алюминия, циркония, бора и самария.

Из табл.1 следует, что природный изотоп самария (149Sm) на порядок эффективнее поглощает тепловые нейтроны, чем изотоп бора 10 В.

Цель настоящего изобретения - разработка материала, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами, что в целом обеспечивает безопасность хранения отработанного ядерного топлива.

Наиболее близкий к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана ПТ7М (ГОСТ 19807-91), который также применяется в атомной энергетике (см. статью Ушкова С.С. И др. - Вопросы материаловеденья, 2009, № 3 (59), с.172-187.). Химический состав сплава ПТ7М, вес. %:

Углерод0,03-0,10
Железо0,15-0,25
Кремний0,05-0,12
Азот0,010-0,040
Алюминий1,8-2,5
Цирконий2,0-3,0
Титан и примеси остальное

Поставленная цель достигается тем, что в известный сплав ПТ7М на основе титана добавляют редкоземельный элемент - самарий - в следующем объеме, вес. %: 0,5-5,0. Диапазон содержания в сплаве самария обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 0,5% - сплав не обеспечивает необходимый минимальный уровень поглощения тепловых нейтронов, более 5% - существенно повышается себестоимость сплава.

Для получения сплавов на основе титана используется электроннолучевой переплав (ЭЛП) в вакуумных печах. В качестве основного сырья применяется губчатый титан (марки ТГ100, ТГ110) с содержанием титана (99,7-99,7)% согласно ГОСТ 17746-96. С целью равномерного распределения легирующих элементов (Al, Zr, Sm) в слитке осуществляется двойной переплав. Контроль нейтронного поглощения полученного сплава в слитке и трубах осуществляется с помощью отечественной установки УКПН-1.

Пример получения сплава на основе титана для поглощения тепловых нейтронов. Губчатый титан ТГ100 в виде дискретных кусков размером (20-45) мм перемешивается с лигатурой: из алюминия, циркония и самария (ТУ48-4-207-72) в соотношении - 1 кг (ТГ100)+0,025 кг (Al)+0,03 кг (Zr)+0,01 кг (Sm) в общем объеме 20 кг и подается в экспериментальную установку (ЭЛП). После двойного переплава получаем слиток сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 100 мм длиной 500 мм. После обточки и ротационной ковки слитка на диаметр 65 мм получим микроструктуру сплава с величиной зерна 5-6 баллов. Горячее прессование позволяет получить трубу-заготовку для последующего холодного передела.

В табл.2 приведен химический состав полученного сплава (СПС-1,0; СПС-1,5), а в табл.3 представлены механические свойства кованного круга сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 65 мм из сплава СПС-1,0; СПС-1,5 при +20°С вместе с величиной поглощения тепловых нейтронов при содержании самария 1,0% и 1,5%. Для сравнения в табл.2-3 представлены химический состав и механические свойства кованного круга сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 65 мм из сплава ПТ7М, изготовленного на ОАО «ВСМПО АВИСМА» (г.В.Салда), согласно ГОСТ 26492-85,

Как следует из табл.1-3, заявленный сплав имеет высокий уровень поглощения тепловых нейтронов по сравнению с прототипом ПТ7М при этом имеет высокие прочностные свойства.

При этом необходимо отметить, что введение самария при выплавке сплава на основе титана не обязательно в виде технически чистого металла (Sm), изготовленного по ТУ48-4-207-72. Для сохранения нормативного требования по распределению самария в сплаве, где расстояние между частицами Sm не более 15 микрон, достаточно использовать в плавке диоксид самария, что существенно снижает себестоимость сплава и изделия из него.

Таким образом, снижая содержание титана в сплаве ПТ7М на (0,5-5,0)%, заменяя его на самарий (0,5-5,0)%, получаем сплав с высоким уровнем поглощения тепловых нейтронов, что востребовано в атомном машиностроении.

Таблица 1
Значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов природных изотопов титана, алюминия, циркония, бора, самария (nсплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 ·10-28 м2)
Изотопn сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 Изотопn сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 Изотопn сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063
1 46 Ti0,6 390 Zr0,10 5149 Sm 50000
47 Ti 8,0сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 91 Zr 1,50сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 152 Sm5600
154 Sm5600
2 27 Al0,214 10 В3838 сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063
сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 11 В757

Таблица 2
Химический состав опытных плавок титановых сплавов с самарием (СПС-1,0; СПС-1,5) и прототипа ПТ7М
сплавSm СFe SiNAl ZrTiпримеси
1СПС-1,0 1,00,08 0,200,100,02 2,53,0 осн0,34
2СПС-1,51,5 0,080,20 0,100,022,5 3,0осн 0,34
3 ПТ7М-0,07 0,150,08 0,032,12,5 осн0,28

Таблица 3
Предел прочности (сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 b), предел текучести (сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 02), относительное удлинение (сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 5) и поглощение тепловых нейтронов (nсплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 ·10-28 м2) для сплавов титана СПС-1,0; СПС-1,5; ПТ7М при +20°С
СПЛАВ сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 bсплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 02сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063 5Nсплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063
(МПа) (МПа)(%)сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, патент № 2519063
1 СПС-1,0730510 30109
2СПС-1,5 79054325 355
3 ПТ7М610 490210,7

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2519063

patent-2519063.pdf

Класс C22C14/00 Сплавы на основе титана

способ изготовления заготовок из титана -  патент 2529131 (27.09.2014)
сплав на основе алюминида титана и способ обработки заготовок из него -  патент 2525003 (10.08.2014)
способ получения отливок сплавов на основе гамма алюминида титана -  патент 2523049 (20.07.2014)
сплав на основе гамма алюминида титана -  патент 2520250 (20.06.2014)
быстрозакаленный припой из сплава на основе титана-циркония -  патент 2517096 (27.05.2014)
способ получения сплавов на основе титана -  патент 2515411 (10.05.2014)
сплав на основе титана и изделие, выполненное из него -  патент 2507289 (20.02.2014)
способ получения порошков сплавов на основе титана, циркония и гафния, легированных элементами ni, cu, ta, w, re, os и ir -  патент 2507034 (20.02.2014)
сплав на основе титана -  патент 2506336 (10.02.2014)
наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы и способ получения прутка из него -  патент 2503733 (10.01.2014)

Класс G21C7/06 с помощью нейтронопоглощающих веществ, те веществ с очень малыми отражающими сечениями по сравнению с сечениями поглощения 

Класс G21F1/00 Состав материалов для защиты от излучений

композиция радиационно-защитного бетона -  патент 2529031 (27.09.2014)
пастообразный материал для защиты от нейтронного излучения и способ приготовления пастообразного материала для защиты от нейтронного излучения -  патент 2522673 (20.07.2014)
термостойкий нейтронозащитный материал -  патент 2522580 (20.07.2014)
углеродсодержащая композиция для радиозащитных материалов -  патент 2519244 (10.06.2014)
композит для защиты от космической радиации -  патент 2515493 (10.05.2014)
композиционный материал для защиты от радиоактивного излучения -  патент 2491667 (27.08.2013)
способ повышения теплоотдачи и радиационной защиты электронных блоков -  патент 2488244 (20.07.2013)
композит для защиты от космического воздействия, способ его получения -  патент 2484546 (10.06.2013)
сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана -  патент 2483132 (27.05.2013)
композиция для защиты от естественного радиационного фона -  патент 2474894 (10.02.2013)
Наверх