Лабораторный практикум Конструкционные материалы ядерных реакторов

В-третьих, использование методики реплик позволяет снизить дозовую нагрузку на персонал и значительно продлить срок эксплуатации энергодисперсионного анализатора.

Углерод является наилучшим материалом для экстракционных реплик в связи с рядом существенных преимуществ перед другими типами реплик (высокое разрешение и контрастность, механическая прочность и термическая устойчивость).

Принципиальная схема препарирования одноступенчатых угольных экстракционных реплик достаточна проста (рис. 4.1).

3 этап - напыление угольной пленки 4 этап - отделение реплики

Рис.4.1. Общая схема приготовления угольных экстракционных реплик

Сложность применения электролитического полирования (этап 1) состоит в подборе электролитов и особенно режимов процесса (плотность тока, температура, время) для материалов разных классов и состава (составы электролитов и режимы электролиза приведены в справочнике [1]). Обычно для каждого конкретного материала требуется эмпирически уточнять состав и подбирать оптимальный режим процесса, обеспечивающий получение плоской, блестящей поверхности.

Не менее ответственной операцией является травление шлифа (этап 2), которое может быть химическим или электролитическим. В результате такого травления на шлифе всегда создается рельеф, соответствующий структурному состоянию материала. Иногда электролитическое травление проводят в том же электролите, что и

41

электрополирование, но при пониженном напряжении. Следует отметить, что слабое травление выявляет более мелкие частицы, а глубокий рельеф способствует сильному сцеплению реплики с поверхностью шлифа и ее отделение бывает затруднительным.

Напыление угольной реплики (этап 3) проводят путем термического испарения спектрально-чистого углерода на подготовленную поверхность в условиях высокого вакуума. Два электрода диаметром 6 мм, контактные поверхности которых заточены в виде острия, подключают к источнику питания. При кратковременном пропускании через них тока силой 80–100 А в месте соприкосновения электродов в результате электрической дуги возникает высокая температура и углерод распыляется на образец, который устанавливают обычно на расстоянии 40–60 мм от испарителя.

Отделение угольной реплики от микрошлифов (этап 4) можно проводить химическим, электролитическим или механическим способами в зависимости от конкретного материала.

После этого реплики тщательно промывают в дистиллированной воде и помещают на поддерживающую сетку. Исследование реплики проводят в электронном микроскопе, оснащенном микрорентгеноспектральным анализатором.

Главные трудности, которые необходимо решить при использовании данной методики:

-подбор реактивов и электролитов, режимов химического или электролитического или ионного травления и полировки для конкретных материалов;

-выбор метода отделения угольной реплики.

Рассмотрим особенности приготовления экстракционных реплик для отдельных классов конструкционных материалов.

Сталь аустенитного класса.

Основные этапы методики представлены ниже.

1.Механическая шлифовка образца на полировальной бумаге до получения блестящей зеркальной поверхности.

2.Электрохимическая полировка проводится в 90 % растворе уксусной кислоты с 10 % хлорной кислоты при напряжении 30–40 В, контролируется на оптическом микроскопе. Катод – нержавеющая сталь.

3.Электрохимическое травление образца в электролите того же

состава при напряжении 6–8 В в течение 10 с.

42

4.Напыление угольной пленки толщиной ~20 нм. На заготовку после электрохимического травления в установке ВУП-5 напыляется тонкий слой графита. При напылении особое внимание уделяется чистоте угольных стержней.

5.Электрохимическое травление. Производится в растворе

спирта с 10 % HNO3 при напряжении 6–8 В в течение 30 с.

6.Отделение реплики производится медленным погружением образца в чистую дистиллированную воду.

7.Извлечение готовой реплики на медную сеточку - подложку. Промывка реплики в спирте и сушка.

8.Исследование реплики в электронном микроскопе, оснащенном энергодисперсионным анализатором.

Критерием качества препарирования образцов является совпадение размера и морфологии исследуемых частиц в объеме материала (фольге) и на экстракционной реплике. Микрофотографии фольги и реплики, полученной по отработанной методике с образца состаренного образца оболочки твэла из стали ЧС68 х.д. приведена на рис. 4.2.

фаза

Лавеса

σ фаза

Рис. 4.2. Частицы выделений фаз в оболочке твэла из стали ЧС68 х.д. после старения при 700 оС, 10000 ч (×10000)

43

Сталь ферритно-мартенситного класса типа ЭП450.

Этапы и режимы приготовления реплик с образцов хромистой стали в основном совпадают с приведенными выше для аустенитной стали. Главное отличие методики для хромистой стали ЭП450 от методики для аустенитной стали заключается в замене операции электролитического травления образца (п. 3 на с. 46) на химическое травление в реактиве ВИЛЕЛЛа в течение 2–3 мин. Микрофотографии фольги и реплики с образцов оболочки твэла из стали ЭП450 приведены на рис. 4.3.

феррит

мартенсит

отпуска

фольга

М23С6

реплика

Рис. 4.3. Частицы карбидов в оболочке твэла из стали ЭП450 в состоянии поставки (×15000)

44

Циркониевые сплавы системы Zr-Nb-O: Э110 и Э125.

При использовании методики угольных реплик для циркониевых сплавов в связи с их высокой реакционной способностью применяют процессы химического полирования и травления, а не электролитические, используемые для большинства металлов. Образцы сплава Э110 полируют и травят в реактиве: 30%HNO3+30%H2SO4+30%H2O+10%HF. Полирование образцов сплава Э125 проводят в этом же реактиве, а травление в реактиве

3%HNO3+95%H2O+2%HF.

Типичные микрофотографии реплик с образцов сплавов Э110 и Э125 приведены на рис. 4.4.

β - Nb

сплав Э110 (×18000)

β-Zr

сплав Э125 (×35000)

Рис. 4.4. Микрофотографии реплик с образцов сплавов циркония

45

Принципиальным отличием методики для циркониевых материалов является то, что на этапе отделения реплики от микрошлифов (пп. 5 и 6 на с. 46) применяют метод механического отделения с использованием 10 % раствора желатина в воде. Данный метод в отличие от электролитического или химического, не приводит к растворению экстрагированных частиц. Раствор желатина, разогретый на водяной бане (40–50 оС), каплями наносится на поверхность образца. После высыхания желатиновая пленка отскакивает от шлифа вместе с угольной репликой. Если этого не происходит, то пленку отделяют, подрезав ее тонким лезвием возле края образца. После отделения пленки от шлифа ее опускают на поверхность горячей воды желатиновой стороной вниз. Промывка в воде в течение 10–15 мин приводит к растворению желатина. Затем угольную реплику вылавливают на медную сеточку, высушивают и исследуют на электронном микроскопе с рентгеновским анализатором.

Оборудование, приборы и материалы

Ячейка для электрохимического травления в вытяжном шкафу. Вакуумная установка типа ВУП-4.

Просвечивающий электронный микроскоп (TECNAI G2 20 TWIN) или сканирующий микроскоп (Cross Beam Nvision4 Carl Zeiss), оснащенные приставками для микрорентгеноспектрального анализа.

Содержание и порядок выполнения работы

В соответствии с изложенной выше методической частью приготовить угольную экстракционную реплику с образцов материала, выданных преподавателем.

Работу по препарированию реплик необходимо проводить в вытяжном шкафу с использованием защитных перчаток и очков.

Форма рабочего журнала (отчет)

Отчет должен содержать: - титульный лист;

46

-цель работы и краткое описание методики изготовления реплик «с извлечением», отметив различия для материалов разных классов;

-зарисовку общей схемы приготовления реплик;

-схему установки для напыления угольной пленки;

-выводы.

Контрольные вопросы

1.В чем отличие экстракционных реплик от обычных?

2.Какие задачи можно решать, используя метод реплик «с извлечени-

ем»?

3.Какие преимущества имеет метод реплик в сравнении с методом фольг при исследовании облученных материалов?

4.Какие виды травления используются при изготовлении реплик «с извлечением»?

5.Какой материал является наилучшим для экстракционных реплик?

6.Какие существуют способы отделения угольной реплики от шли-

фов?

7.В чем заключается сложность использования методики реплик?

8.Что является критерием качества препарирования экстракционных реплик?

9.Каковы отличительные особенности изготовления реплик со сплавов циркония?

Список литературы

1.Смирнова А.В., Кокорин Г.А., Полонская С.М. и др. Электронная микроскопия в металловедении. Справ. изд. М.: Металлургия, 1985.

2.Ayache J., Beaunier L., Boumendil J., Ehret G., Laub D. Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscopy. Springer, 2010. http://www.springer.com

47