Ученые Томского политехнического университета разработали новую многослойную архитектуру покрытий для элементов термоядерных реакторов. Она обладает высокой термической стабильностью и способностью «самозалечиваться» при работе в экстремальных условиях. Такая разработка позволит в будущем значительно продлить срок службы оборудования реакторов.
Многослойные (наноламинатные) покрытия широко применяются в ядерной промышленности благодаря высокой прочности, коррозионной стойкости и устойчивости к радиационному воздействию. Однако их эксплуатационные характеристики при одновременном влиянии высоких температур и облучения остаются недостаточными.
Специалисты Томского политеха предложили новую архитектуру многослойного покрытия — функционально-градиентного материала (ФГМ), включающего защитный слой ниобия толщиной около 3 мкм, радиационно-стойкий слой чередующихся наноразмерных мультислоев ниобия и циркония толщиной около 1 мкм, адгезионный слой циркония толщиной около 10 мкм и подложку из сплава циркония с 1% ниобия толщиной 0,7 мм, обеспечивающую необходимую механическую прочность.
«Архитектура ФГМ на основе ниобия и циркония с управляемой градацией слоев — это не просто повторение наноламинатной структуры. Такое целенаправленное чередование материалов обеспечивает не только повышенную термическую устойчивость, но и более эффективное управление эволюцией дефектов за счет их локализации в нужных уровнях. Это позволяет перенаправлять дефекты в активные зоны, где происходит их «самозалечивание». В простых наноламинатах активные зоны могут не совпадать с профилем повреждений, из-за чего эффективность механизмов самовосстановления снижается», — поясняет один из авторов исследования, и.о. руководителя отделения экспериментальной физики ТПУ Роман Лаптев.
Политехники провели in situ исследования новой архитектуры покрытий при температурах до 900 °C, анализируя термическую стабильность и структурные изменения методами рентгеновской дифракции, in situ спектроскопии доплеровского уширения аннигиляционной линии и просвечивающей электронной микроскопии. Такой комплексный подход позволил наблюдать эволюцию дефектов и изменения кристаллической решетки покрытия в реальном времени. Результаты показали, что при нагреве покрытие сохраняет многослойную архитектуру и плотность интерфейсов, а происходящие фазовые переходы остаются обратимыми, что позволяет материалу сохранять свои свойства.
«Комплекс in situ анализа в сочетании с традиционными методами эксперимента позволил нам доказать, что разработанная в ТПУ архитектура покрытий устойчива к термическому воздействию. Благодаря обратимости фазовых трансформаций материал способен выдерживать экстремальные циклы нагрева и охлаждения без существенной деградации. Это критически важно для оценки долговечности покрытия в условиях реальной эксплуатации», — добавляет Роман Лаптев.
В исследовании приняли участие ученые отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий и исследовательского ядерного реактора Томского политеха.
