Разработка научных основ использования мощных ионных пучков для повышения стойкости наноструктурированных керамических покрытий в экстремальных условиях

Целью работы являлось обоснование и разработка методов повышения стойкости к высокотемпературному окислению конструкционных материалов ядерной энергетики. Были изучены возможности модификации поверхностного слоя аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т и сплава Э110 облучением импульсным мощным ионным пучком (МИП), осаждением защитных покрытий и комбинацией этих методов. Изучено влияние предварительной обработки металлических подложек МИП на стойкость AlN, CrN, Al-Si-N, Fe-Cr-Al и Cr-Al-N покрытий к механическим и радиационным повреждениям и к высокотемпературному окислению. Дополнительно исследовалась стойкость к высокотемпературному окислению нержавеющей стали 12Х18Н10Т и сплава Э110 без покрытий, которые были обработаны МИП с варьируемой плотностью энергии в импульсе. Параметры использованного ионного пучка: ускоряющее напряжение 200 кВ, длительность импульса 90 нс, плотность энергии в импульсе варьировалась в зависимости от решаемой задачи в диапазоне 0,7 - 3 Дж/см^2. После облучения металлических подложек на них наносились покрытия различного состава методом магнетронного распыления. Нормальные и аварийные условия эксплуатации для ядерных реакторов с водяным охлаждением моделировались двумя методами. Первым способом радиационные повреждения создавались воздействием на образцы протонов, ускоренных до 400 кэВ, при плотности тока 0,667 мкА/см^2 и флюенсе 2,25∙10^16 протон/см^2. Вторым способом моделирования повреждений было гидрирование образцов в водороде (чистота 99,999 %) при температуре 360°С и давлении 2 атм. в течение 80 минут. После облучения образцов протонами или насыщения их водородом проводилось окисление образцов на воздухе и в среде водяного пара атмосферного давления при температуре 1000ºC. Стойкость к высокотемпературному окислению оценивалась, исходя из данных привеса и результатов электронной микроскопии поверхности и поперечного шлифа. Механические характеристики образцов определялись методами наноиндентирования и скретч-теста с фиксацией сигнала акустической эмиссии. В результате выполнения проекта установлено, что обработка МИП может являться эффективным методом повышения адгезионной прочности защитных покрытий различного типа (нанокомпозитных Al-Si-N, на основе ферритного сплава Fe-Cr-Al и на основе МАХ-фазы Cr-Al-N) и повышает их износостойкость. Кроме того, определены режимы облучения МИП сплава Э110 и стали 12Х18Н10Т, повышающие их механические характеристики (твердость, модуль упругости, стойкость к абразивному износу), а также стойкость к высокотемпературному окислению в парах воды. В результате были разработаны эффективные режимы комбинированной модификации, повышающие эксплуатационные качества материалов ядерной энергетики и их стойкость в аварийных условиях с потерей теплоносителя.