Закономерности влияния водорода на структуру и электрофизические свойства титана ВТ1-0

В настоящее время во всём мире осуществляется глобальный переход на водородную энергетику, где ключевыми моментами становятся технологии производства, хранения, транспортировки и извлечение водорода, а также применение водородных энергоносителей в различных секторах экономики. В связи с климатической повесткой такой переход характерен для многих стран Европы и Азии. Отдельные вопросы создания технологий получения, хранения и транспортировки водорода, представлены во многих научных работах [1–4]. Однако научные основы для безопасного и эффективного использования материалов для указанных выше технологий разработаны не в полной мере [5,6]. В частности, для вывода накопленного водорода используют тепло- и радиационно стимулированный способы. В этой связи для изучения материалов с целью их применения на практике используется большое число различных методов физического воздействия, вплоть до исследования природы изменения физических свойств [7,8]. Известные методы исследования свойств твёрдых тел (ТТ), содержащих водород (масс-спектрометрия, тлеющий разряд и др.), ориентированы на поверхностные слои ТТ и требуют дополнительной модификации образцов, которая, как правило, нарушает форму и структуру ТТ. Так, известно, что при нейтронном облучении происходит изменение изотопного состава технического титана. Нами установлено, что в данном случае водород не выделяется из наводороженного титана, как происходит при облучении электронами, а накапливается в нём [9]. Всё указанное требует создания эффективных методов исследования водородосодержащих материалов в отмеченных условиях. Таким образом, приобретают актуальность исследование закономерностей влияния водорода на структуру и электрофизические свойства материалов на примере промышленного титана и поиск эффективных способов воздействия на наводороженные материалы. Для изучения распределения водорода в структуре материала используется метод воздействия переменным
5
магнитным полем (вихревые токи различной частоты) и дополнительно метод термоэдс – интегральный анализ (локальные тепловые воздействия). И в том и в другом случае необходимы параметры, адекватно отражающие изменения свойств наводороживаемых материалов. В первом случае в качестве такого параметра выбран тангенс угла диэлектрических потерь, широко применяемый для исследования свойств плазмы различного вида, полупроводников и т.д. До настоящего времени этот параметр не использовался для систем [10–12], содержащих водород. Многие процессы, сопровождающие накопление водорода, требуют оперативного анализа миграции водорода при его накоплении в материалах и т.д., что, например, характерно для изделий, эксплуатируемых в условиях нейтронного облучения. Упомянутые исследования находят отражение в данной работе, в частности, рассмотрен механизм накопления водорода при облучении титана нейтронами. Водород, который накапливается в междоузлиях решетки, образует водородную подсистему, которая дополнительно существует в
поле внутреннего гамма-излучения, сопровождающего облучение нейтронами. Таким образом, изучение закономерности влияния водорода на титан ВТ1-0 позволит получить на основе экспериментальных методов распределение содержания водорода в титане ВТ1-0 как функцию градиента электропроводности и тангенса угла диэлектрических потерь, а также исследовать дефектность его структуры, влияние миграции на эти процессы, накопление водорода при нейтронном облучении в поле гамма-излучения. Всё вышеизложенное и
определяет актуальность данного исследования..
Степень разработанности темы. К настоящему времени проблема
взаимодействия водорода с металлами (титан) исследована достаточно подробно. Значительный вклад в изучение данной проблемы внесли российские и зарубежные ученые А.А. Ильин, Б.А. Колачёв, И.С. Полькин, Б.А Калин [13], Л.Б. Беграмбеков [14], В.А. Маркелов [15], С.А. Никулин [16], И.П. Чернов [3], Ю.И. Тюрин [17], А.М. Лидер [18, 19], B. Hanson, R. Shimskey [20], C. Lavender [21], A. Motta, K.B. Colas [22] и многие другие [23-26]. Большое внимание уделяется созданию методик исследования этих процессов. Хорошо разработаны методы

6
исследования дефектов, вызванных водородом, в различных материалах методом аннигиляции позитронов (К.П. Арефьев, А.М. Лидер). Что касается водорода, то нет исчерпывающего исследования содержания водорода в объёме материала наиболее эффективными и оперативными методами. Важное значение имеет получение и исследование материалов для защиты от водорода в сочетании с нейтронной защитой в ядерных реакторах. Знание содержания водорода необходимо для проведения оперативных измерений в области регулирования безопасности в многочисленных устройствах, использующих ядерные реакторы.
Исходя из этих соображений, определены цель и задачи настоящей работы. Целью настоящей работы является разработка экспериментальных методов изучения дефектной структуры водородосодержащих материалов и исследование на их основе процессов насыщения материалов водородом, его распределение в объёме, миграции водорода и изучения реакции насыщения
титана ВТ1-0 водородом при нейтронном облучении в поле гамма-квантов.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие
задачи:
1. Разработать метод исследования и создать модель исследования
распределения содержания водорода в титане ВТ1-0 как функцию градиента электропроводности и тангенса угла диэлектрических потерь.
2. Разработать способ определения структурных превращений в титане при насыщении водородом, и провести сравнительные исследования и апробацию предложенного способа, используя другие методы исследования.
3. Исследовать миграцию водорода в титане ВТ1-0 путём создания градиентного распределения водорода в образце титана, выбрав в качестве методов исследования измерение термоэдс и вихревых токов.
4. Разработать способ и исследовать реакцию образования водорода в титане ВТ1-0 под действием нейтронного облучения в условиях существования поля гамма-излучения для изучения наводороживания титана в этих условиях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

7
1. Впервые предложен способ определения послойной концентрации
водорода в титане ВТ1-0 путем измерения тангенса угла диэлектрических потерь вихревых токов. Показано, что диэлектрические потери в титане существенно зависят от содержания водорода в металле.
2. Разработан способ исследования изменения структуры титана ВТ1-0 в процессе его насыщения водородом. Апробация способа проведена в сравнении с результатами, полученными методом термоэдс и электронно-позитронной аннигиляции (ЭПА). При этом впервые установлены две характерные области влияния водорода в титане на величину термоэдс. Обнаруженное характерное изменение зависимости термоэдс от концентрации водорода позволяет установить концентрацию водорода в титане, при которой начинается процесс изменения структуры титана ВТ1-0. Показано, что переход из одного структурного состояния в другое наблюдается уже при концентрациях водорода в титане около 0,05 % по массе. Сопоставление структурно-фазового состояния титанового сплава в виде TiH2: 4.04 масс. % TiH: 2.02 масс. % TiH0,5: 1.01 масс. % позволяет осуществлять контроль вида соединений титана с водородом по измерению термоэдс на основе зависимости термоэдс от концентрации водорода в титане.
3. Разработан метод получения неравномерного распределения водорода в наводороженных сплавах путем магнетронного нанесения пленки TiN на часть образца титана, для его последующего наводороживания, исследованы её характеристики, функциональные защитные свойства и исследована миграция водорода в титане методами термоэдс и вихревых токов.
4. Впервые показано, что происходит наводороживание титана при облучении нейронами энергии 0.1 МэВ в условиях гамма-излучения с энергией 889 кэВ и 1120 кэВ, что сопровождается изменением величины термоэдс в титане ВТ1-0 на 20%.