В.Л. Якушин, Б.А. Калин, В.И. Польский,

П.С. Джумаев

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Влияние импульсной плазменной обработки на коррозионную стойкость сталей
Представлены результаты экспериментального исследования влияния обработки потоками высокотемпературной импульсной газовой плазмы (ВТИП) на коррозию сталей разных классов в различных агрессивных средах. Исследована коррозионная стойкость ряда низколегированных и коррозионно-стойких сталей, применяемых в атомной энергетике, при испытаниях на межкристаллитную коррозию методом АМ, в потоке жидкого свинца, при взаимодействии с парами имитаторов продуктов деления (цезий, теллур, йод). Установлено, что предварительная обработка потоками ВТИП приводит к повышению коррозионной стойкости всех исследованных сталей и изменению характера коррозии с межкристаллитного на фронтальный.
Предварительная обработка потоками ВТИП проводилась в импульсной плазменной установке типа Z-пинч «Десна-М» [1].

Испытания на межкристаллитную коррозию проводилось методом АМ в соответствие с ГОСТом 6032–89В. Характер и степень коррозионного взаимодействия определялись металлографическим методом с использованием поперечных шлифов. В качестве материалов были выбраны конструкционные стали 25Х1МФ, 35Х, 38х2мюа, Ст.20, 14Х17Н2 и 08Х18Н10Т. Результаты проведенных коррозионных испытаний показали, что низколегированные стали в исходном состоянии подвержены сильной коррозии [2]. В случае предварительной обработки потоками плазмы полное (двухстороннее) утонение образцов из стали 38Х2МЮА уменьшилось с ~ 1,0 до 0,35 мм в зависимости от состава плазмы. Проведенные оценки показали, что усредненная по времени испытаний (t = 24 ч) скорость коррозии модифицированных сталей уменьшилась с ~ 21,0 до 3,3 и 6,7 мкм/ч при обработке плазмой из аргона и воздуха соответственно. Лучшие результаты были получены при использовании потоков азотной и гелиевой плазм. В целом феррито-мартенситная сталь 14Х17Н2 имела более высокую коррозионную стойкость по сравнению с аустенитной сталью 08Х18Н10Т. Таким образом, предварительная обработка потоками ВТИП приводила к значительному (в 5–8 раз) повышению коррозионной стойкости сталей. Установлено, что характер коррозии меняется с межкристаллитного на фронтальный.

Коррозионные испытания в жидком свинце выполнялись в циркуляционном стенде ЦУ-1 при повышенном ((5-8)10^5 мас. %) контролируемом содержании кислорода при температуре 650 С в течение 1000 ч для модифицированных потоками ВТИП образцов и 1680 ч для поверхностно-легированных образцов [3]. В качестве исследуемого материала была выбрана перспективная для оболочек твэлов реактора на быстрых нейтронах высоколегированная хромистая феррито-мартенситная сталь марки ЭП823 (16х12смвфбр). Было также исследовано влияние на коррозионную стойкость поверхностного жидкофазного легирования алюминием и хромом с использованием потоков ВТИП. Анализ полученных результатов показал, что, в целом, усредненные значения толщины оксидной пленки на обработанных потоками плазмы трубках уменьшаются в  2 раза в сравнении с исходными образцами. Поверхностное жидкофазное легирование труб алюминием, сплавом на основе силумина и хромом с использованием потоков ВТИП приводит к значительному (в 3–10 раз) снижению степени коррозии, а в некоторых случаях и полному ее подавлению. Было установлено, что влияние предварительной плазменной обработки на коррозию стали в жидком свинце обусловлено созданием модифицированного слоя с микрокристаллической структурой и измененным структурно-фазовым состоянием, являющегося барьером для проникновения кислорода в глубь материала. Установлено, что для практически полного подавления окисления труб в потоке свинца с повышенным содержанием кислорода при температуре концентрация алюминия в приповерхностных слоях должна быть выше 13–14 мас. %, а хрома – более 16,5 мас. %.

Исследовано влияние импульсной плазменной обработки на коррозию твэльных труб из аустенитной коррозионно-стойкой стали марки ЧС-68 (06Х16Н15М2Г2ТФР) и конструкционных сталей 08х18н10т, 09Г2СА и 25Г2С, применяемых для изготовления внутренних узлов контейнеров для транспортирования и хранения облученных тепловыделяющих сборок, при их взаимодействии с парами имитаторов продуктов деления (ИПД) - цезий, теллур, йод [4]. Исследования взаимодействия паров ИПД с образцами из стали Чс-68 проводились в изотермических условиях при температурах 600 и 725 ºС (τ = 150 ч), а конструкционных сталей 08х18н10т, 09Г2СА и 25Г2С при температурах 300, 500 и 700 С и длительности выдержек до 720 ч. Полученные результаты показали, что сталь ЧС-68 обладает более высокой коррозионной стойкостью в сравнении с другими исследованными аустенитными сталями. При этом глубина зоны коррозионного взаимодействия для нее практически соответствует уровню коррозии стали феррито-мартенситного класса. Однако коррозия труб из стали ЧС-68 носит межкристаллитный характер в отличие от фронтального для феррито-мартенситной стали. В результате обработки потоками гелиевой плазмы характер коррозионного повреждения стали ЧС-68 изменяется с межкристаллитного на фронтальный, и уменьшается глубина зоны коррозионного взаимодействия. Результаты исследования образцов конструкционных сталей 08х18н10т, 09Г2СА и 25Г2С показали отсутствие коррозионных повреждений для всех материалов при температуре 300 С и длительности выдержек до 720 ч. Предварительная обработка стали 09Г2СА потоками импульсной азотной плазмы при температуре испытаний 500 С в течение 500 и 720 ч приводит к изменению характера коррозии с межкристаллитной на фронтальную. При более высокой температуре испытаний (T = 700 С) характер коррозии практически не изменялся, но интенсивность взаимодействия уменьшалась. При высоких температурах коррозия стали 08Х18Н10T имеет смешанный характер, а при понижении температуры переходит на фронтальный. Модифицирование этой стали потоками импульсной азотной плазмы приводит к некоторому уменьшению коррозионной зоны при температуре взаимодействия 500 С и длительности выдержки 720 ч.

Таким образом, полученные результаты позволяют заключить, что предварительная обработка потоками импульсной плазмы приводит к повышению коррозионной стойкости как низколегированных, так и коррозионно-стойких сталей при испытаниях на межкристаллитную коррозию, в потоке жидкого свинца и при взаимодействии с имитаторами продуктов деления ядерного топлива.

Впервые обнаружено, что модифицирование структурно-фазового состояния приповерхностных слоев сталей в результате импульсной плазменной обработки, независимо от состава агрессивной среды, приводит к изменению характера коррозионного взаимодействия с межкристаллитного на фронтальный.

Список литературы
1. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов / Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л. М.: Круглый год. 2001. С.528.

2. Samoilova E.V., Yakushin V.L. Russian Metallurgy (Metally). Vol. 2005. No. 4. Р.361-366.

3. Якушин В.Л., Калин Б.А., Джумаев П.С. и др.// Физика и химия обработки материалов. 2005. №4. С.33-45.

4. Kalin B.A., Yakushin V.L., Volkov N.V. In: Annual Meeting on Nuclear Technology 98 (1998, Munich): Proceed. INFORUM Verlags. 1998. p.753-754.