Автореферат (Разработка методики определения содержания водорода в материалах с использованием закономерностей ядерного обратного рассеяния протонов)

На правах рукописиВОСТРИКОВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧРАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРОДАВ МАТЕРИАЛАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙЯДЕРНОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ПРОТОНОВСпециальность05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2017Работа выполнена в отделе Научно-технической информации Научноисследовательского института ядерной физики имени Д.В. СкобельцынаМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор технических наук, доцентКрит Борис ЛьвовичОфициальные оппоненты:Овчинников Виктор Васильевич,доктор технических наук, профессор,АО Российская самолетостроительная корпорация«МиГ», начальник лаборатории сваркиЗалавутдинов Ринад Харисович,кандидат физико-математических наук,федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт физической химии иэлектрохимии им.

А.Н. Фрумкина РАН,заместитель директора по научной работеВедущая организация:Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшегообразования «Национальный исследовательскийтехнологический университет «МИСиС»Защита диссертации состоится «07» декабря 2017 г. в 11 часов 30 минут назаседании диссертационного совета Д 212.125.15 в ФГБОУ ВО «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)»(МАИ) по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д.

3. Отзывы наавтореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просимнаправлять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, МАИ, ученомусекретарю диссертационного совета Скворцовой С.В. и по электронной почтеskvorcovasv@mati.ruС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета и насайте https://mai.ru/upload/iblock/8ce/Dissertatsiya_Vostrikov.pdfАвтореферат разослан 20 октября 2017г.Ученый секретарьдиссертационного Совета2Скворцова С.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыОдной из насущных задач современного материаловедения являетсяразработка новых и совершенствование существующих методов элементногоанализа веществ.

Это необходимо во многих сферах как фундаментальной, так иприкладной науки. Часто встает задача определения содержания водорода ввеществах. Водород может входить в состав многих материалов либо в видечасти молекулы, либо в качестве легко образующейся примеси, способной дажепри низких концентрациях существенно изменить физико-химические свойствавещества.

Это делает крайне актуальной задачу мониторирования содержанияводорода в различных материалах, как на стадии производства, так и до, после ив процессе эксплуатации изделий.В настоящее время имеется большое количество технологических задач,требующих целостного и всеобъемлющего изучения водородсодержащихматериалов, а также создание покрытий, защищающих от проникновенияводорода внутрь конструкционных материалов.Водород, растворяясь в металлах в ходе плавки, разливки, приэлектрохимических, ядерных и иных процессах, является одной из причинпоявления дефектов, трещин, ухудшения пластических свойств металлов.Наводороживание приводит к снижению пластичности и трещиностойкостисплавов, а выделение хрупких гидридов в зонах концентрации напряжений можетстать причиной разрушения изделий.

В качестве примера можно упомянуть обизвестном явлении водородного охрупчивания сталей. Сходная ситуация имеетместо и в случае циркониевых сплавов, которые активно поглощают водород ужепри 300 °С, образуя твёрдые растворы и гидриды ZrH и ZrH2. Циркониевыесплавы, благодаря малому сечению поглощения тепловых нейтронов, высокойстойкости к коррозии, хорошим механическим свойствам и лёгкости обработкиявляются основным конструкционным материалом для элементов активной зоныи тепловыделяющих систем атомных энергетических реакторов. При этом однимиз важных требований к материалам активной зоны реакторов является низкоепоглощение водорода.

В реакторостроении в качестве замедлителя в компактных3реакторах и реакторах на быстрых нейтронах, а также материала защиты широкоиспользуются титановые сплавы. Интерес к ним в данном случае обусловленуникально низкой склонностью титана к радиационной активируемости и еебыстрым спадом (скорость спада радиоактивности титана на порядок выше, чему сплавов железа). Вместе с тем, функциональные свойства титановых сплавовтакже во многом определяются количеством содержащегося в них водорода.С другой стороны, способность различных металлов и сплавовнакапливать и хранить водород может быть эффективно использована вводороднойэнергетикеприразработкегидридныхаккумуляторов.Перспективными материалами для хранения водорода являются алюминий,магний, титан и углеродные нанотрубки. Возможно применение как порошковгидридов, так и твердых растворов AlxHy, MgxHy и TixHy с нанесенными наповерхность защитными покрытиями для предотвращения выхода водорода.Модифицируяповерхностьобразца,подвергаяеехимико-термической,плазменной обработке, проводя микродуговое оксидирование или наносяразличного рода покрытия, можно влиять на поглощение и выделение водорода, асравнивая характеристики при одних и тех же условиях, делать вывод одейственности того или иного метода обработки.Во всех перечисленных случаях крайне необходимы неразрушающиеметодики исследования, которые способны давать информацию о содержанииводорода в материалах.

Такие методики представляют научный интерес с точкизрения установления общих закономерностей взаимодействия водорода сметаллами и сплавами, а также имеют практическое значение для отработкиметодов регулирования и контроля гидридообразования в конструкционныхматериалах.Данныеоколичествеводородавматериалахиспособынеразрушающего контроля позволяют оценить время безопасной эксплуатации исоздать защитные покрытия для увеличения срока службы изделий.Для повышения эффективности решения этих задач, в настоящей работеосуществлена разработка новой методики определения содержания водорода,основанной на использовании закономерностей ядерного обратного рассеянияпротонов.4Цель работы - применение метода спектрометрии ядерного обратногорассеяния протонов (ЯОР) для исследования водородсодержащих материалов.Для достижения поставленной цели требовалось решить следующиезадачи:1.

Разработать неразрушающую методику обнаружения и количественнойоценки водорода в металлах и сплавах на основе метода спектрометрии ядерногообратного рассеяния протонов.2. Провести апробацию методики применительно к исследованиямсодержания водорода в поверхностном слое образцов гидрированных титана ициркония.3. Применить методику для анализа концентрации водорода в покрытиях,сформированных микродуговым оксидированием на поверхности циркония, до ипосле коррозионных испытаний.4. Исследовать влияние содержания водорода на свойства твёрдого сплавасистемы WC-Co, спечённого в атмосфере водорода.5.

Определить радиационный урон водородосодержащим мишеням прииспользовании данной методики.Методология и методы исследования.Для исследования, помимо метода спектрометрии ядерного обратногорассеяния и предлагаемой методики на его основе, использовали методрезерфордовского обратного рассеяния. Для независимого сравнения содержанияводорода в материалах применяли волюмометрический метод. Исследованные вработе оксидные покрытия получали методом микродугового оксидирования.Научная новизна работы1.

С использованием закономерностей ядерного обратного рассеянияпротонов энергии 6 – 8 МэВ разработана новая неразрушающая методикаопределения концентрации водорода в различных материалах и покрытиях наглубинах до 100 мкм с разрешением 1 мкм и погрешностью 5 ат. %. Показано,что разработанная методика не оказывает влияния на содержание водорода вматериалах, что позволяет использовать её для анализа содержания водорода вгидридах и диффузии водорода в материалах.52. Применение методики для определения содержания водорода вспечённом твёрдом сплаве ВК-6 на основе карбида вольфрама впервыепозволила обнаружить обратную зависимость понижения микротвердости сростомконцентрацииводорода.Этосвязываетсясизменениемкристаллической структуры и химических свойств карбида вольфрама.3.

Впервые для высокоточной нормировки спектров ядерного обратногорассеяния предложена идея использования барьерного слоя с заданнымипараметрами обратного резерфордовского рассеяния. Идея апробированаустановкой танталовой фольги перед исследуемой мишенью. За счетотносительно большой массы (М=181), при анализе большинства материаловспектр ЯОР для тантала не накладывается на спектр от исследуемой мишени,что позволяет проводить нормировку спектров для двух образцов на одинаковоеколичество протонов, направленных на мишень, путем сопоставленияколичества частиц, рассеянных танталовой фольгой для обоих образцов.Практическая ценность работы.Разработанная методика ионно-пучкового анализа содержания водорода вматериалах может использоваться при разработке технологий защитныхпокрытий в области атомной энергетики, а также в области водороднойэнергетики при разработке систем хранения водорода.Результаты работы были использованы в ООО «САНА-ТЕК» приотработке режимов проведения микродугового оксидирования.