Nazwa Projektu: Wpływ uszkodzeń radiacyjnych na właściwości strukturalne i mechaniczne monokrystalicznych stopów fcc NiFe_x

Akronim Projektu: PRELUDIUM 21a

Budżet Projektu: 123 200 PLN

Czas trwania projektu: 23.01.2023 - 22.01.2025

Kierownik Projektu: mgr inż. Edyta Wyszkowska

Opis Projektu:

Materiały, które mają być wykorzystane jako komponenty w przyszłych reaktorach rozszczepiania i syntezy jądrowej, powinny być starannie dobierane ze względu na trudne warunki pracy tych materiałów [1,2]. Pomimo szeroko zakrojonych badań i postępów w charakterystyce materiałów, wielorakie zjawiska napromieniowania, takie jak pęcznienie, kruchość i strefy agregacji defektów, wymagają dokładnego zrozumienia [2]. Opracowanie nowych, wysokowydajnych materiałów, które wytrzymają tak nieprzyjazne warunki, ma kluczowe znaczenie dla zaawansowanych systemów reaktorów IV Generacji. Ponadto wymagające środowisko przyszłych reaktorów jądrowych będzie wymagało od materiałów lepszej odporności na promieniowanie i odporności mechanicznej na wysokie temperatury . Dokładne zrozumienie właściwości mechanicznych w podwyższonych temperaturach ma kluczowe znaczenie dla wszystkich tych zastosowań, aby zapewnić bezpieczną pracę. Z tego powodu opracowanie nowych materiałów o lepszych właściwościach mechanicznych (zwłaszcza w wysokich temperaturach) i odporności na promieniowanie jest niezwykle ważne. Stanowi to główną motywację proponowanej pracy, w której ewolucja właściwości funkcjonalnych nowo opracowanych monokrystalicznych stopów fcc NiFex będzie badana w ekstremalnych warunkach (wysoka temperatura i promieniowanie jonowe). W poszukiwaniu nowych materiałów zaproponowano nową klasę monokrystalicznych stopów NiFex jako elementy konstrukcyjne reaktorów jądrowych czwartej generacji. Wynika to z ich wyjątkowych właściwości mechanicznych oraz wysokiej tolerancji na promieniowanie [1,2]. Aby zweryfikować to stwierdzenie, zaplanowano badania monokrystalicznych stopów Ni i NiFex [001] typu fcc z różnymi dodatkami Fe (Ni, NiFe12, NiFe23, NiFe38, NiFe62). Materiały zostały napromieniowane energią 1,5 MeV oraz jonami 58Ni+ o fluencjach w zakresie od 2x1014 do 4x1015 jonów/cm2 w temperaturze pokojowej. Aby zbadać ewolucję defektów wywołanych napromieniowaniem, wykorzystana zostanie technika spektrometrii rozpraszania wstecznego Rutherforda oraz symulacje Monte Carlo do jakościowej i ilościowej oceny uszkodzeń spowodowanych promieniowaniem. Wstępne widma kanałów jonowych wykazały najwyższą propagację uszkodzeń dla czystego monokryształu Ni, podczas gdy najmniejszą akumulację uszkodzeń zaobserwowano dla NiFe62. Zarejestrowane wyniki sugerują lepszą tolerancję promieniowania dla NiFe62 niż czystego Ni, co jest zgodne z symulacjami Monte Carlo. Następnie transmisyjna mikroskopia elektronowa zostanie wykorzystana do badania rodzajów defektów radiacyjnych i ich koncentracji w funkcji fluencji jonów. W kolejnym etapie, technika nanoindentacji zostanie zastosowana do rejestracji zmian twardości w funkcji fluencji jonów. Przeprowadzone zostaną również testy pełzania w podwyższonych temperaturach (300ºC, 500ºC i 600ºC) techniką nanoindentacji. Co najmniej trzy składy, Ni, NiFe38 i NiFe62, zostaną przetestowane w stanie wyjściowym. Ponadto kompozycje te napromieniowane z najwyższą fluencją 4x1015 jonów/cm2 (poziom uszkodzeń około 12,5 dpa) będą również testowane w wysokich temperaturach. Opracowany plan pracy pozwoli lepiej poznać właściwości użytkowe materiałów in situ w wysokich temperaturach. Oczekuje się, że nasze badania pomogą w projektowaniu lepszych stopów w przyszłości. Celem naukowym badań jest wypełnienie luk w wiedzy poprzez kompleksowe zrozumienie wpływu napromieniowania na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne niektórych monokryształów fcc NiFex oraz opracowanie korelacji między tymi aspektami.

W związku z tym powstaje kilka głównych pytań badawczych:

1. Jakie rodzaje defektów powstają podczas napromieniania?;
2. Jakie są rozmiary, gęstość i rozmieszczenie defektów w monokryształach fcc NiFex?;
3. Jak zachodzi ewolucja/migracja defektów przy różnych fluencjach promieniowania i stężeniu Fe;
4. Jak defekty mikrostruktury wpływają na właściwości mechaniczne?;
5. Jaki jest wpływ dodatku żelaza i fluencji napromieniowania na właściwości mechaniczne monokryształów Ni i NiFex?;
6. Jaka zmieniają się własności mechaniczne wyjściowych i napromieniowanych monokryształów NiFex w podwyższonej temperaturze?

References:

[1] A. F. Rowcliffe, L. K. Mansur, D. T. Hoelzer, R.K. Nanstad, Perspectives on radiation effects in nickel-base alloys for applications in advanced reactors, J. Nucl. Mater. 392 (2009) 341-352.

[2] Mohammad W. Ullah, Dilpuneet S.Aidhy, Yanwen Zhang, William J. Weber, Damage accumulation in ion-irradiated Ni-based concentrated solid-solution alloys, Acta Mater. 109 (2016) 17-22.