Материал для атомных реакторов стал прочнее

Ученые НИТУ «МИСиС» создали уникальный композиционный материал, перспективный для эксплуатации в жестких температурных условиях, например, в атомных реакторах. Прочность материала увеличилась в три раза по сравнению с прочностью отдельных его компонентов. Эти свойства не теряются при нагреве до 700°С. Результаты работы опубликованы в журнале Materials Letters.

Для создания нового поколения атомных реакторов на быстрых нейтронах необходимы новые конструкционные материалы, потому что сталь, которая рассматривается для использования в оболочках тепловыделяющих элементов, становится не способной выдерживать требуемый нагрев в 550-700°С.

Один из новых способов получения более прочных материалов – создание композитов методами большой (интенсивной) пластической деформации, то есть, деформации в особых установках под высоким давлением. В процессе создается материал с существенно более высокой механической прочностью (по сравнению с прочностью каждого из отдельных компонентов).

Но в результате в материале образуется более мелкая, нанокристаллическая структура, которая склонна к росту зерна («комкам», обладающим низкой прочностью) при нагреве. Таким образом, подобные материалы обладают низкой термической стабильностью, и теряют полученную прочность под воздействием высоких температур.

Команда ученых лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС» нашла способ одновременно повысить прочность и температурную стабильность композиционного материала. Для этого они использовали один из методов пластической деформации – кручение под высоким давлением, за счет которого создали особую слоистую структуру материала из слоев стали с ванадиевым сплавом посередине.

«Мы создали образец из слоев стали по 0,5 и 0,3 мм, а между ними проложили ванадиевый сплав в 0,2 мм. Таким образом, толщина образца составила 1 мм. При использовании кручения под высоким давлением образец имеет форму диска, который помещается между двумя бойками с плоскими основаниями и сжимается под приложенным давлением в несколько ГПа.

Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. В результате мы получили тонкую многослойную структуру», – рассказывает руководитель исследования, старший научный сотрудник «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС», кандидат технических наук, Станислав Рогачев.

Оценка полученного образца показала, что после кручения под высоким давлением прочность «сэндвича» выросла в три раза по сравнению с прочностью каждого из отдельных компонентов. Более того, благодаря сформированной слоистой структуре, конечный материал оказался способен выдерживать нагрев до 700°С.

Таким образом, впервые был получен композитный наноструктурный материал-сэндвич с такой высокой термической стабильностью. Подобный материал перспективен для использования в целом ряде высокотехнологичных областей, к примеру, в ранее упомянутой атомной энергетике.

По словам исследователей, они планируют продолжить эксперименты с большой пластической деформацией металлических композитов. В частности, команда будет работать с комбинациями сталь-цирконий, сталь-медь и сталь-алюминий.