RAPORT PÓŁROCZNY. 2. Badania i rozwój technologii dla kontrolowanej fuzji termojądrowej (nr i tytuł) w ramach strategicznego projektu badawczego

Transkrypt

1 RAPORT PÓŁROCZNY Z REALIZACJI CZĘŚCI ZADANIA BADAWCZEGO 1 2. Badania i rozwój technologii dla kontrolowanej fuzji termojądrowej (nr i tytuł) w ramach strategicznego projektu badawczego pt. Technologie wspomagające rozwój bezpiecznej energetyki jądrowej CZĘŚĆ A Numer umowy SP/J/2/143234/11 Okres sprawozdawczy od (dd/mm/rr) do (dd/mm/rr) 1. DANE WYKONAWCY Nazwa Adres Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej Wołoska 141, Warszawa Telefon (22) Fax (22) wim@inmat.pw.edu.pl Imię i nazwisko Łukasz Ciupiński Kierownik części zadania badawczego Telefon (22) wew lukas@inmat.pw.edu.pl Imię i nazwisko Osoba do kontaktu Telefon 1 Raport powinien zostać przygotowany przez Wykonawcę i przekazany Liderowi. 1

2 2. SPRAWOZDANIE MERYTORYCZNE Z REALIZACJI CZĘŚCI ZADANIA BADAWCZEGO Poniżej należy opisać prace zrealizowane w poszczególnych etapach oraz uzyskane wyniki w odniesieniu do Opisu Zadania Badawczego, ze szczególnym uwzględnieniem końcowych wyników poszczególnych etapów. 2 Etap nr 11 - Badania z zakresu inżynierii materiałowej próbek poddanych działaniom impulsowych strumieni plazmy Zgodnie z zapisami zawartymi w Opisie Zadania Badawczego w bieżącym okresie sprawozdawczym realizowano prace związane z określeniem właściwości powierzchni materiałów i ich struktury w stanie wyjściowym (przed poddaniem działaniu plazmy). W wyniku wcześniej prowadzonych prac do badań wytypowano 2 materiały, tj. wolfram oraz kompozyt węgiel-węgiel. Na próbkach o kształcie sześcianu o boku 10 mm prowadzono badania powierzchni tych materiałów z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej, spektroskopii rentgenowskiej, profilometrii laserowej a także badania mikrotwardości i tomografii komputerowej. Próbki po tych badaniach wstępnych przekazano do IFPiLM do sporządzenia tarcz, które poddawane będą oddziaływaniu plazmy impulsowej w urządzeniu PF1000. Zaplanowane na bieżący okres sprawozdawczy działania zostały wykonane w 100% w stosunku do harmonogramu. Wyniki analiz materiałów w stanie wyjściowym przedstawiono poniżej. Badania kompozytu CFC Podczas obserwacji powierzchni kompozytu CFC A412N w SEM analizie poddano powierzchnię materiału w 3 stanach: a) powierzchnia w stanie wyjściowym/dostawy, b) powierzchnia po szlifowaniu i c) powierzchnia po szlifowaniu i polerowaniu. Rys. 1 a, b) przedstawiają powierzchnię w stanie dostawy. Rysunki 2 a, b) oraz 3 a, b) odpowiednio po szlifowaniu oraz szlifowaniu i polerowaniu. Rys. 1. Obraz powierzchni kompozytu CFC w kontraście elektronów wtórnych. Materiał w stanie dostawy. 2 Sprawozdanie merytoryczne powinno zawierać szczegółowy opis zrealizowanych prac i osiągniętych wyników w poszczególnych etapach (w tym opis zastosowanych metod badawczych, użytej aparatury, analizę statystyczną wyników i szacunek błędów). W podsumowaniu każdego etapu powinien być sformułowany postulat dotyczący wykorzystania osiągniętych wyników w dalszych etapach realizacji zadania badawczego - należy przeprowadzić analizę uzyskanych wyników w odniesieniu do zakładanych celów. Poszczególne etapy powinny być opisywane w sposób jednolity, bez przedstawiania powszechnie znanych informacji. 2

3 Rys. 2. Obraz powierzchni kompozytu CFC w kontraście elektronów wtórnych. Materiał po szlifowaniu. Rys. 3. Obraz powierzchni kompozytu CFC w kontraście elektronów wtórnych. Materiał po polerowaniu. Obserwacje mikrostruktury ujawniły drobne wady powierzchni kompozytu. Wady te obserwowano zarówno na powierzchni nieprzygotowanej jak i po szlifowaniu czy polerowaniu. Może to świadczyć o tym, że wady te mają nie tylko charakter powierzchniowy ale związane są z porowatością objętościową materiału CFC. Ponadto przeprowadzone obserwacje pozwoliły na ujawnienie anizotropii kompozytu, który wg informacji od producenta wzmacniany jest włóknami węglowymi o architekturze 3D. W obserwacjach ujawniono, że gęstość ułożenia włókien wzmacniających nie jest jednakowa w 3 wzajemnie prostopadłych kierunkach. Architekturę tę należałoby określić mianem 2,5D ponieważ w dwóch kierunkach włókna mają zbliżoną gęstość upakowania natomiast w trzecim prostopadłym kierunku jest ich znacznie mniej. Obserwowane powierzchnie w 3 w/w stanach poddano analizie chropowatości. Tabela 1 zawiera zestawienie otrzymanych wyników. Wyniki te potwierdziły obserwacje SEM. Powierzchnia po polerowaniu charakteryzuje się najniższym parametrem Ra. Warto także zauważyć, że powierzchnie obrabiane mechanicznie charakteryzują się jednocześnie wyższymi parametrami Rz i Rt. Może to świadczyć o tym, że w trakcie obróbki pewne elementy struktury są wyrywane z kompozytu co pozostawia zagłębienia o dość znacznej głębokości, które są jednak znacznie drobniejsze od tych istniejących na powierzchni materiału w stanie dostawy, gdyż Ra CFC w stanie dostawy jest znacznie większe. 3

4 Tabela 1. Wyniki badania chropowatości powierzchni kompozytu CFC W oznaczonym za pomocą EDS składzie chemicznym materiału zidentyfikowano jedynie węgiel. Oznacza to, że zakupiony materiał charakteryzuje się bardzo dobrą czystością. Przykładowy spektrogram wraz z obrazem obszaru, z którego pochodzi sygnał przedstawiono na Rys. 4. Rys. 4. Analiza składu chemicznego powierzchni kompozytu CFC po polerowaniu. Badania wykonane na tomografie rentgenowskim pokazały, że analizowany materiał charakteryzuje się niewielkim stopniem porowatości. Ze względu jednak na fakt, że węgiel jest lekkim pierwiastkiem uzyskany w 4

5 badaniach tomograficznych kontrast między materiałem CFC a powietrzem wypełniającym pory jest niewielki, co uniemożliwiło wykonanie wiarygodnej ilościowej analizy stopnia porowatości. Planuję się w kolejnym okresie sprawozdawczym nasączenie kompozytu cieczą kontrastującą co pozwoli ilościową analizę porowatości otwartej. Dla sporządzenia tarcz do implantacji w urządzeniu PF1000 przygotowano 9 próbek. Planowane jest ich takie ułożenie w tarczy aby możliwe było przeanalizowanie oddziaływań plazma/materiał CFC w każdej jego orientacji (3 wzajemnie prostopadłe płaszczyzny) i w każdym stanie powierzchni. Przed umieszczeniem w tarczy wszystkie próbki dokładnie zważono w celu oceny ubytku masy w wyniku oddziaływania z plazmą. W Tabeli 2 zamieszczono wyniki pomiarów masy wszystkich 9 próbek. Tabela 2. Waga próbek przygotowanych do eksperymentów w urządzeniu PF1000. Badania wolframu. Do badań zakupiono wolfram o wysokiej czystości (99,97 %) w firmie PLANSEE SE w postaci pręta o przekroju kwadratowym 10x10 mm, długości 500 mm i masie 0,965 kg. Z pręta zostały wycięte próbki sześcienne 10x10x10 mm, z których wykonan zostanie tarcza do implantacji w urządzeniu PF1000. W Tabeli 3 podano skład chemiczny badanego pręta wolframowego wg załączonego przez producenta certyfikatu materiałowego. Tabela 3. Skład chemiczny wolframu użytego do badań Min. [%] Max. [µg/g] W Al Cr Cu Fe K Mo Ni Si H C N O Cd Hg Pb 99, W odróżnieniu do kompozytu CFC wolfram badana tylko w jednym stanie przygotowania powierzchni. Ze względu na fakt, że wolfram jest materiałem metalicznym, którego powierzchnię można wypolerować, uznano, że dla analizy oddziaływania z plazma będzie to stan powierzchni umożliwiający przeprowadzenie najbardziej dokładnych analiz wpływu plazmy na strukturę i właściwości materiału tarcz. Dlatego też do badań przygotowano próbki polerowane jak w procesie przygotowywania zgładów metalograficznych. Ze względu na anizotropię struktury wynikającą z faktu, że materiał został dostarczony w formie pręta zostały przygotowane zgłady metalograficzne powierzchni wzdłużnej oraz poprzecznej do kierunku walcowania. Przed wykonaniem obserwacji metalograficznych próbki trawiono odczynnikiem do trawienia wolframu i jego stopów zgodnym z normą PN-75/H o symbolu Mi46W o następującym składzie: 33 cm 3 kwasu fluorowodorowego (1,13); 33 cm 3 kwasu azotowego (1,4) oraz 34 cm 3 wody. Dla scharakteryzowania struktury i właściwości materiału w stanie dostawy wykonano następujące badania: 5

6 A) B) C) D) E) F) Obserwacje mikrostruktury w mikroskopie świetlnym Obserwacje mikrostruktury w SEM Punktowe badanie składu chemicznego przy pomocy EDS Pomiary twardości Oznaczenie chropowatości na profilometrze Pomiar masy Wyniki obserwacji na mikroskopie świetlnym Przykładowe obrazy mikrostruktury uzyskane w mikroskopie świetlnym przedstawiono na Rys. 5. Rys. 5. Mikrostruktura wolframu powierzchni wzdłużnej (po lewej) i poprzecznej (po prawej) do kierunku walcowania przy powiększeniu 250x Obserwacje te ujawniły drobnoziarnistą strukturę wolframu. Na przekroju wzdłużnym do kierunku walcowania widoczne są wydłużone ziarna równomiernie rozmieszczone. Można zauważyć nieliczne długie pęknięcia wzdłuż kierunku walcowania, rozchodzące się po granicach. Na powierzchni poprzecznej do KW widać małe rozgałęzione pęknięcia Obserwacje powierzchni próbek w SEM Przykładowe wyniki obserwacji SEM powierzchni próbek po trawieniu pokazano na Rys. 6-8 Rys. 6. Powierzchnia wzdłużna próbki trawionej obserwowana w SEM (po lewej pow. 250x; po prawej pow. 1000x) 6

7 Rys. 7. Powierzchnia poprzeczna próbki trawionej obserwowana w SEM (250x i 1000x) Rys. 8. Powierzchnia poprzeczna próbki trawionej (po lewej) i nietrawionej (po prawej) przy powiększeniu 100x Obserwacje SEM ujawniły obecność dużej ilości porów i pęknięć w materiale. Można także zauważyć, że ilość spękań znacznie wzrasta po wytrawieniu próbki. Ponieważ badany materiał posiada pewną ilość zanieczyszczeń należy przypuszczać, że zanieczyszczenia te segregują w granicach ziaren i ze względu na podwyższona energię swobodną tych obszarów mogą łatwiej ulec wytrawieniu. Stad na przekroju poprzecznym obserwujemy siatkę spękań, która w istocie jest obrazem wytrawionych silnie granic ziaren. Badania prowadzone przy wyższych powiększeniach (Rys. 9) pozwoliły zaobserwować, że selektywnemu wytrawieniu podlegają granice wokół klastrów ziaren a nie wszystkie granice ziaren. Może to być wynikiem sposobu wytwarzania wolframu, który jako materiał trudnotopliwy wytwarzane jest na drodze metalurgii proszków, tzn. materiał lity uzyskuje się przez spiekanie proszków, a następnie poddaje obróbce cieplno-mechanicznej. Zakładając, że proszek wykorzystany do wytworzenia spieku ma cząstki polikrystaliczne, w materiale litym granice powstające pomiędzy pierwotnymi cząstkami proszku mogą mieć inne właściwości niż granice międzyziarnowe w pierwotnych polikrystalicznych cząstkach. Efektem tego zróżnicowania właściwości granic będzie ich inne zachowanie się w trakcie trawienia wynikiem czego będzie obserwowana mikrostruktura po wytrawieniu. 7

8 Rys. 9. Powierzchnia poprzeczna próbki przy powiększeniu 2500x Badania składu chemicznego w mikroobszarach Przykładowe wyniki badań składu chemicznego na polerowanych i trawionych próbkach pokazano na Rys. 10. W analizach oznaczano właściwie wyłącznie wolfram. W obszarze wytrawionej granicy między cząsteczkami pierwotnego proszku zanotowano nieznacznie podwyższony sygnał węgla. Niemniej jednak, z uwagi na fakt, że badania węgla metodą EDS w mikroskopie skaningowym obarczone są znacznym błędem, wynik ten może być jedynie sygnałem, że istotnie obary wytrawionych granic mają odmienny skład chemiczny od reszty materiału. Niemniej jednak potwierdzenie tego domniemania wymaga dalszych bardziej dokładnych badań tych granic. Rys. 10. Punktowe badanie składu chemicznego na trawionych powierzchniach wolframu 8

9 Pomiary twardości Pomiary twardości Vickers a HV30 zostały wykonane na twardościomierzu Zwick/Roell Z2.5. Siła obciążania wynosiła 294,2 N. Badania prowadzono na powierzchni poprzecznej oraz wzdłużnej. Tabela 4 zawiera zestawienie wyników badań. Nie zaobserwowano istotnych różnić w twardości materiału w stosunku do położenia powierzchni badanej względem kierunku walcowania pręta, z którego wykonano próbki. Zmierzona twardość wynosi niewiele powyżej 430 HV30, co jest zgodne z danymi przekazanymi w certyfikacie materiałowym przez producenta. Tabela 4. Wyniki pomiarów twardości Pomiar Średnia Powierzchnia poprzeczna do KW [HV30] Powierzchnia wzdłużna do KW [HV30] Profilometria Badania profilometryczne wykonano z wykorzystaniem profilometru optycznego Wyko NT9300. Przykładowe wyniki pokazano na Rys. 11. Tabela 5 zawiera zestawienie wyników pomiarów dla kilku wybranych próbek spośród 9 przygotowanych do wytworzenia tarcz do implantacji w urządzeniu PF1000. W wyniku zastosowani jednakowego sposobu przygotowania powierzchni wszystkich próbek otrzymano powtarzalne wyniki badań chropowatości dla wszystkich próbek. Dobrze zdefiniowany stan wyjściowy powierzchni przed przystąpieniem do eksperymentów oddziaływania z plazmą impulsową przyczyni się do uzyskania precyzyjnego opisu zachodzącuch zmian. Masa próbek Podobnie jak dla próbek CFC wszystkie przygotowane sześciany wolframowe, które utworzą tarczę do urządzenia PF1000 dokładnie zważono. Dzięki temu możliwe będzie oznaczenie ubytków masy powstających przez odparowanie materiału w wyniku oddziaływania z plazmą impulsową. Wagi poszczególnych próbek podano w Tabeli 6. 9

10 Rys. 11. Przykładowy obraz profilu powierzchni próbki wolframu po polerowaniu dla próbki nr 2. 10

11 Tabela 5. Wartości parametrów chropowatości przy powiększeniu 20,3 x dla wybranych próbek Próbka Pomiar Ra[nm] Rq[nm] Rz[nm] Rt[nm] 1 26,19 33,21 249,64 263, ,06 36,20 270,15 422, ,77 32,28 290,34 427, ,52 33,60 321,11 668, ,79 33,82 312,56 433, ,35 40,73 318,89 360, ,44 34,26 249,69 270, ,02 36,32 279,18 334, ,89 34,77 309,18 357, ,43 42,86 378,30 425, ,27 36,32 367,24 404, ,33 45,47 387,83 482,37 Tabela 6. Masa próbek wolframowych Nr próbki Masa [g] 19, , , , , , , , ,2017 Etap nr 12 - Wytwarzanie i charakteryzowanie nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych W ramach realizacji zadania wytworzono metodą mechanicznej syntezy serię stali o różnym składzie chemicznym. W szczególności stale różniły się zawartością wanadu (od 0,3 do 1% wagowo). Dobrano parametry mechanicznej syntezy zapewniające uzyskanie pełnego stopowania stali. Proces mielenia prowadzono w atmosferze argonu, czas mielenia wynosił 20 godzin, a obroty młynka 350 obr/min. Otrzymany proszek poddano badaniom składu fazowego za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego oraz przygotowano do konsolidacji w procesie spiekania pod wysokim ciśnieniem. Jednym z wątków realizowanego zadania były modelowe badania odporności na zniszczenia radiacyjne wytworzonych stali ferrytycznych wzmacnianych nanometrycznymi tlenkami. Modelowe badania wykonano w procesie implantacji jonów. Celem defektowania radiacyjnego było określenie zmian właściwości 11

12 strukturalnych w warunkach narażenia na takie defektowanie. Próbki ze stali o składzie chemicznym Fe-14Cr-2W-0.3Ti-0.3Y 2 O 3 zostały otrzymane w procesie mechanicznej syntezy i konsolidacji za pomocą izostatycznego prasowania (HIP, ang. high isostatic presing). Końcowym etapem wytwarzania było wyciskanie hydrostatyczne z redukcją przekroju 4 i obróbka cieplna w temperaturze 1050 o C przez 1 godzinę. Po procesie wytwarzania stal charakteryzowała się Bi-modalnym rozkładem wielkości ziarna (większe o średnicy około 1 µm oraz mniejsze o średnicy około 100 nm). Wewnątrz ziaren obserwowano nanocząstli tlenku itru o wielkości 2-5 nm. Do procesu implantacji powierzchnia próbek stali ODS została oczyszczona metodą polerowania elektrochemicznego. Tak przygotowane powierzchnie próbek stali ODS poddane zostały procesowi implantacji jonami boru i argonu (Tab.1). Zastosowanie różnych wartości napięcia i dawek dla jonów boru i argonu miało na celu wywołanie porównywalnego zdefektowania dla różnych jonów. Tab.1. Parametry procesu implantacji Napięcie Dawka I Dawka II B + 95 kev 3x x10 16 Ar kev 4x x10 15 Zgodnie z oczekiwaniami większe zmiany w mikrostrukturze stali ODS zanotowano dla wyższych dawek implantowania jonów. Zmiany mikrostruktury wiązały się głównie z wytworzeniem, w warstwie przypowierzchniowej, dużej ilości defektów punktowych oraz pętli dyslokacyjnych (Rys.1). Grubość warstwy zdefektowanej można oszacować na 250 nm dla jonów boru i około 150 nm dla jonów argonu. Zmiany mikrostruktury w warstwie zdefektowanej nie są równomierne. Największy stopień zdefektowania możemy zauważyć na głębokości około 60-70% grubości warstwy zdefektowanej, licząc od powierzchni próbki. W przypadku większej dawki jonów boru możemy mówić o bardzo dużych zmianach mikrostruktury, granice ziaren zanikają i następuje częściowa utrata krystaliczności. W przypadku mniejszych dawek zmiany w mikrostrukturze nie są tak wielkie i ograniczają się do zwiększonej ilości defektów. Implantacja dużą dawką jonów argonu prowadziła do gromadzenia się argonu na granicach ziaren. Tworzyły się pęcherzyki argonu o wielkości 2-3 nm. Taki sposób lokowania się argonu prowadzi do osłabiania granic ziaren i degradacji właściwości materiału. Z uwagi na specyfikę przygotowywania preparatów techniką FIB (tworzy się warstwa amorficzna/zdefektowana na powierzchni preparatu) nie udało się określić wpływu implantacji na bardzo małe cząstki tlenku itru. Rys.1. Zdjęcia BF-STEM przedstawiające przekrój poprzeczny przez warstwę implantowaną (a) B+ 3x10 17 (b) B+ 3x10 16 (c) Ar 2+ 4x10 16 (d) Ar 2+ 4x

13 3. ZGODNOŚĆ REALIZACJI CZĘŚCI ZADANIA BADAWCZEGO Z HARMONOGRAMEM ORAZ KOSZTORYSEM W OKRESIE SPRAWOZDAWCZYM 3.1 Czy realizacja części zadania badawczego przebiegała zgodnie z Harmonogramem wykonania Zadania Badawczego? TAK x NIE Jeśli zaznaczono NIE należy wskazać zaistniałe rozbieżności, podać przyczyny i podjęte lub planowane działania naprawcze oraz ocenić wpływ na dalszą realizację zadania badawczego. Należy przedstawić odrębnie wszystkie etapy zadania badawczego przebiegające niezgodnie z harmonogramem. Nr i nazwa etapu zadania badawczego wg harmonogramu Opis rozbieżności Przyczyna rozbieżności Działania naprawcze Wpływ na dalszą realizację zadania badawczego 13

14 3.2 Czy realizacja części zadania badawczego przebiegała zgodnie z Kosztorysem Zadania Badawczego? TAK x NIE Jeśli zaznaczono NIE należy wskazać zaistniałe rozbieżności, podać przyczyny i podjęte lub planowane działania naprawcze oraz ocenić wpływ na dalszą realizację zadania badawczego. Należy przedstawić odrębnie wszystkie etapy zadania badawczego przebiegające niezgodnie z kosztorysem. Nr i nazwa etapu zadania badawczego wg harmonogramu Opis rozbieżności Przyczyna rozbieżności Działania naprawcze Wpływ na dalszą realizację zadania badawczego 4. SPOSÓB UPOWSZECHNIENIA INFORMACJI O OSIĄGNIĘTYCH WYNIKACH ZADANIA BADAWCZEGO Ze względu na fakt, że badania znajdują się w fazie początkowej nie publikowano dotychczas uzyskanych wyników badań. 5. UWAGI WYKONAWCY Brak. 14

15 6. INFORMACJE O OSOBIE ODPOWIEDZIALNEJ ZA SPORZĄDZENIE RAPORTU Imię i nazwisko Stanowisko Łukasz Ciupiński adiunkt Data sporządzenia raportu Podpis Pieczęć Wykonawcy Osoba uprawniona do reprezentowania Wykonawcy (pieczęć i podpis) 15