NOVÁ METODIKA PŘÍPRAVY 1 MM FÓLIÍ PRO TEM ANALÝZU AUSTENITICKÝCH OCELÍ OZÁŘENÝCH NEUTRONY Petra Bublíková 1, Vít Rosnecký 1, Jan Michalička 1, Eliška Keilová 2, Jan Kočík 2, Miroslava Ernestová 2 1 Centrum výzkumu Řež, 250 68 Husinec-Řež, Česká republika 2 ÚJV Řež, 250 68 Husinec-Řež, Česká republika Kontaktní e-mail: bui@cvrez.cz ABSTRAKT Stanovení životnosti jaderných elektráren podmíněné provozuschopností jednotlivých částí jaderných reaktorů je důvodem množství mechanických zkoušek a s nimi spojených mikrostrukturních analýz prováděných na ozářených vzorcích v rámci svědečných programů jaderných elektráren či odborných projektů se zapojením výzkumných reaktorů. Austenitické oceli jsou běžně používanými konstrukčními materiály tlakovodních jaderných reaktorů (PWR). Během provozu jaderného reaktoru, který může trvat déle než 60 let, dochází v mikrostruktuře materiálu vlivem neutronového záření ke změnám, které výrazně ovlivňují fyzikální a tím i mechanické vlastnosti závislé na vzniku tzv. radiačně-indukovaných defektů (např. Frankových dislokačních smyček, kavit, precipitátů, segregátů po hranicích zrn, apod.). Defekty o minimální velikosti řádově v nanometrech snižují odolnost materiálu proti křehkému porušení, u austenitických ocelí odolných proti korozi dochází po ozáření materiálu nad prahovou dávku (cca 1 3 dpa neutronů) k radiačně-indukovanému koroznímu praskání pod napětím (IASCC). Výzkum neutrony ozářených austenitických ocelí se proto zaměřuje na studium degradačních mechanismů a jejich vlivu na mechanické vlastnosti s využitím transmisní elektronové mikroskopie (TEM). Pro TEM analýzu kovových materiálů se běžně využívá metoda elektrolytického leštění fólií o průměru 3 mm. V Centru výzkumu Řež byla vytvořena nová metodika přípravy fólií o průměru 1 mm pro studium mikrostruktury tahových vzorků z austenitické oceli CW 316 o průměru dříku cca 2 mm (po tahové zkoušce v blízkosti místa přetržení o průměru menším než 2 mm). Metodika je určena pro vyhodnocení velmi malých vzorků, mimoto napomáhá ke snížení aktivity vzorků, příp. jejich magnetismu, který výrazně ovlivňuje svazek elektronů dopadající na povrch vzorku při TEM analýze. Metodika popisuje celý proces výroby 1 mm fólií od způsobu manipulace s tahovými vzorky, řezání vzorků po zkoušce tahem ve zúžené oblasti krčku pomocí manipulátorů v odstíněném prostředí polohorké komory, broušení aktivních vzorků v rukavicových boxech, vystřižení fólií o průměru 1 mm speciálním razníkem a finální elektrolytické leštění 1 mm fólií pro TEM analýzu radiačních defektů v transparentní oblasti fólie. 1 ÚVOD Hlavním účelem TEM analýzy austenitické oceli CW 316 bylo prokázání přítomnosti radiačních defektů ve struktuře a jejich kvantitativní vyhodnocení. Ze vzorků bylo nutné vyrobit fólie s množstvím transparentních oblastí dostatečných pro vyhodnocení defektů - 1 -
v oblasti uvnitř i na hranicích zrn. U fólií o průměru 1 mm je obtížnější dosáhnout rovnoměrného odleštění materiálu při elektrolytickém leštění a souvislých transparentních oblastí ve srovnání s fóliemi o průměru 3 mm. U transparentních oblastí pro TEM analýzu (nutná tloušťka řádově ve stovkách nanometrů, závislá na urychlovacím napětí TEM) je nutné docílit lesklého povrchu fólie bez přítomnosti oxidů pro vyhodnocení zmíněných radiačněindukovaných defektů struktury. 2 METODIKA PŘÍPRAVY 1 MM FÓLIÍ Příprava 1 mm fólií byla přizpůsobena pro práci s aktivním materiálem. Veškeré práce probíhaly v polohorkých komorách s manipulátory, v rukavicových boxech či s dodatečným stíněním v prostorech TEM laboratoří, přičemž všechny procesy byly monitorovány. Před přípravou aktivních 1 mm fólií bylo navrženo několik nových přípravků či byly provedeny úpravy stávajících pro zajištění větší přesnosti jednotlivých kroků přípravy (výroba nového držáku pro tahové vzorky, úprava držáku na 1 mm vzorky pro elektrolytické leštění, úprava razníku pro vyražení 1 mm fólií, apod.). Úkony a parametry jednotlivých procesů byly optimalizovány při přípravě řádově desítek neaktivních fólií ze zkušebních tahových zkoušek austenitických ocelí, které prošly všemi kroky metodiky přípravy pro aktivní fólie. Po získání reprodukovatelnosti výsledků byla metodika aplikována na aktivní vzorky. Tenké plátky pro výrobu 1 mm fólií pak byly odříznuty z oblasti co nejblíže lomu (ve zúžené oblasti krčku po zkoušce tahem) pro vyhodnocení deformované struktury a radiačně-indukovaných defektů (Obr. 1). Vzorky pro přípravu fólií vzorek č. 2 vzorek č. 1 prořez pily Obr. 1 Analyzovaná oblast vzorku po zkoušce tahem - 2 -
2.1 Řezání tahových vzorků v polohorké komoře Řezání tahových vzorků probíhalo v polohorké komoře určené pro práci s aktivními materiály. Manuální obsluha kotoučové pily Struers Minitom for Hot Cell s diamantovým kotoučem ø150 x 0.3 a manipulace se vzorky probíhala pomocí manipulátorů ovládaných vně komory, řídící jednotka pily byla umístěna rovněž v operátorovně polohorké komory. Práce s manipulátory zahrnovala veškerou manipulaci s tahovými vzorky, upnutí vzorků do držáku (Obr. 2) a do kleštiny pily, nastavení vhodné polohy řezného kotouče tečně vzhledem ke vzorku (Obr. 4), čehož bylo docíleno pomocí digitální kamery a zrcadla umístěných uvnitř polohorké komory. Pomocí systému kamery a zrcadla bylo možné zobrazit také horní pohled pro nastavení tloušťky řezu mikrometrickým měřidlem (Obr. 5). Z každé poloviny tahové zkoušky byly kotoučovou pilou odříznuty 3 vzorky maximální rychlostí 150 otáček/min, které byly pomocí manipulátoru a pinzety vloženy do označené přepravní ampule pro transport do místnosti s rukavicovými boxy pro následné broušení. Vzorky měly výchozí tloušťku cca 300 450 µm. Celková doba odříznutí 3 vzorků z tahové zkoušky trvala cca 50 min. Obr. 2 Upínání vzorku do držáku manipulátory Obr. 3 Obsluha pily pomocí manipulátorů Obr. 4 Čelní pohled polohy vzorku a řezného kotouče Obr. 5 Horní pohled polohy vzorku a řezného kotouče pro nastavení tloušťky řezu - 3 -
2.2 Broušení vzorků v rukavicových boxech Broušení vzorků z výchozí tloušťky 300 450 µm na finální tloušťku cca 60 µm probíhalo v rukavicových boxech. Vzorky byly broušeny ve dvou krocích, nejprve na tloušťku cca 200 µm, v druhém kroku na finální tloušťku 60 µm. Z připravené fólie o průměru cca 2 mm a tloušťky 60 µm byly vyraženy dvě 1 mm fólie speciálním razníkem (Obr. 6), fólie pak byly vloženy do držáku pro 1 mm vzorky a elektrolyticky leštěny. Během optimalizace finální tloušťky fólií byl studován vliv deformace materiálu po vyražení na analyzovanou oblast transmisním elektronovým mikroskopem, přičemž byla zvolena optimální tloušťka 60 µm s minimálním otřepem po vyražení fólie. Tloušťka byla také vhodná pro získání transparentních oblastí po elektrolytickém leštění. 2.3 Elektrolytické leštění 1 mm fólií Aktivní fólie umístěny v držáku pro 1 mm vzorky (Obr. 8) byly elektrolyticky leštěny v 5% roztoku kyseliny chloristé za optimalizovaných podmínek: teploty -25 C a proudu v rozmezí 10-20 ma. Fólie byly po elektrolytickém leštění neustále udržovány ve styku s methylalkoholem pro zamezení oxidace povrchu fólie a po dokonalém vysušení byly vloženy do měděné síťky o průměru 3 mm pro umístění do držáku TEM (Obr. 10). Některé fólie byly v druhém kroku doleštěny pro nedostatek transparentních míst. Doba elektrolytického leštění byla ve srovnání s přípravnými neaktivními materiály delší vzhledem k radiačnímu zpevnění vzorků, řádově v minutách. Obr. 6 Razník pro 1 mm fólie Obr. 7 Elektrolytická leštička Obr. 8 Držák pro 1 mm fólie s detailem místa pro vložení fólie - 4 -
Obr. 9 Vzhled fólie o průměru 1 mm po elektrolytickém leštění - model Obr. 10 Aktivní fólie o průměru 1 mm umístěná v měděné síťce pro TEM analýzu 3 TEM ANALÝZA 1 MM FÓLIÍ Z každé poloviny vzorku po zkoušce tahem byly analyzovány 2-3 fólie s množstvím dostatečně tenkých míst pro statistické vyhodnocení radiačně-indukovaných defektů v deformované struktuře pomocí analýzy TEM JEOL 2010LaB6. Struktura byla vyhodnocena ve světlém a tmavém poli za použití selekční clony SAED (Selected Area Electron Diffraction) pro zobrazení a vyhodnocení charakteristických radiačně-indukovaných defektů ve struktuře difrakční analýzou. Mikrostruktura deformované austenitické oceli CW 316 obsahovala deformační dvojčata s množstvím radiačně indukovaných precipitátů viditelných v tmavém poli, které byly identifikovány a vyhodnoceny kvantitativně (Obr. 11, 12, 13). Materiál vystavený radiaci obsahoval typickou dislokační mikrostrukturu (Obr. 14) s Frankovými dislokačními smyčkami, které byly opět identifikovány SAED (Obr. 15). Ve struktuře byly v objemu zrn i na jejich hranicích rozeznány kavity (Obr. 16), které zejména po hranicích zrn mohou dopomáhat k radiačně-indukovanému koroznímu praskání pod napětím (IASCC). Přítomnost a hustotu kavit ve struktuře lze obtížně vyhodnotit na fóliích s přítomností oxidů. Po optimalizaci přípravy 1 mm fólií bylo docíleno lesklého nezoxidovaného povrchu pro identifikaci kavit uvnitř zrn i po hranicích zrn a jejich kvantitativní analýzu. - 5 -
Odborná konferencia Mladej generácie Slovenskej nukleárnej spoločnosti Obr. 11 Dvojčatová struktura deformované oceli CW 316 Obr. 12 Radiačně-indukované precipitáty zobrazené v tmavém poli Obr. 13 Difraktogram radiačněindukovaných precipitátů (ppt) Obr. 14 Dislokační mikrostruktura oceli CW 316 Obr. 15 Frankovy dislokační smyčky Obr. 16 Kavity ve struktuře uvnitř zrn i po hranicích zrn -6-
ZÁVĚR Nová metodika přípravy fólií o průměru 1 mm byla aplikována na aktivní vzorky po zkoušce tahem z austenitické oceli CW 316. Jednotlivé kroky metodiky byly nejprve postupně optimalizovány na neaktivních tahových vzorcích z austenitické oceli. Při přípravě aktivních fólií bylo po elektrolytickém leštění dosaženo množství transparentních oblastí s lesklým nezoxidovaným povrchem vhodným pro analýzu radiačně-indukovaných defektů v deformované struktuře. Metodika byla vytvořena pro přípravu fólií z velmi malých vzorků, ze kterých nelze připravit fólie o průměru 3 mm pro TEM analýzu, zároveň je vhodná pro snížení aktivity a magnetismu vzorků. TEM analýza radiačně-indukovaných defektů přispívá ke komplexnímu vyhodnocení vlivu neutronového záření na mechanické vlastnosti částí jaderných reaktorů a stanovení jejich životnosti. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla za finanční podpory projektu SUSEN CZ.1.05/2.1.00/03.0108, který je realizován v rámci Evropského fondu regionálního rozvoje (ERDF). POUŽITÁ LITERATURA [1] Zinkle, S. J., Matzke, H., Skuratov, V. A.: In Microstructural Processes During Irradiation; Zinkle, S. J., Lucas, G. E., Ewing, R. C., Williams, J. S., Eds. Materials Research. Society: Warrendale, PA, 1999; Vol. 540, 299 304. [2] Mansur, L. K., Lee, E. H. J.: Nucl. Mater. 1991, 179 181, 105 110. [3] Lee, E. H.; Byun, T. S., Hunn, J. D., Farell, K., Mansur, L. K.: Origin of hardening and deformation mechanisms in irradiated 316 LN austenitic steel. Journal of Nuclear Materials 296, 2001, 183 191. [4] M.L. Jenkins, M.A. Kirk: Characterization of Radiation Damage by Transmission Electron Microscopy, 133, IoP Publishing Ltd 2001. [5] G.S. WAS, Fundamentals of Radiation Materials Science. New York, USA: Springer- Verlag Berlin Heidelberg, 2007. 827 p. ISBN 978-3-540-49471-3. - 7 -