Коррозионная и радиационная стойкость

Лекция 13. Тугоплавкие ОЦК-материалы

 

Общая характеристика металлов

Сплавы на основе тугоплавких металлов

Коррозионная и радиационная стойкость

1. Общая характеристика металлов

 

Металл	Система Менделеева	sпог,см2	Тm, oC	r, нм	d, г/см3	sв, МПа	sв, МПа	d, %
Пер.	Z	A	т.н.	б.н.
V	Va		51,0	4-5	0,012-0,001		0,149	5,7	200-260	90-160	35-38
Nb		92,9	1,1	0,100-0,001		0,163	8,5	340-400	250-300	48-52
Ta				0,300-0,005		0,163	16,2	450-550		23-30
Cr	VIa		52,0	2,9	0,040 0,001		0,142	7,1
Mo		96,0	2,5	0,100-?		0,155	10,2	470-750	400-700	20-25
W			19,2	0,200-0,011		0,155	19,1	870*	550*	12*

^* - монокристалл

Сплавы на основе тугоплавких металлов

Металл	Легирующие элементы
Основные	Вспомогательные	Вредные	Xим. соединения
V	NbTaCrMoWTiFeMn	ZrAlSiNiBeCuSn B РМЗ	H O N Ng	BeZrMnZnCd ReBAlCSiNOH
Nb	VTaCrMoWTiFeHfZr	AlSiBeCuMnB РМЗ	O H Sn P Bi S	BeCrMnFeNiB Al C Si O
Ta	VNbMoWReTiHfZr	Cr Fe Ni Al Si Be	HOCNSnPCu	BeCrMnFeNiB Al C Si O H N
Cr	VMoWReTiFeMnNiAl	NbHfSiBeMgZrTa	O S Sc K N C	ZrHfNbTaMnNi B Al C Si H O S
Mo	VNbTaCrWReTiFeMn	ZrTiSiCuZnBSbAs	HONPbBiSnMg	BeZrBAlCSiNOS
W	VnbTaCrMoReFeMn Hf	ZrTiBeAlCoBiAs	H N O S Sn	DeZrFeBCSiNO H S

· Сплавы ванадия

- хорошая основа для жаропрочности, удачные ядерные свойства для БР и технологичность ванадия

- недостатки: относительно низкая Т_m, высокая стоимость, сильное влияние на мех.свойсива примесей, относительно высокая хим.активность

- элементы с большим радиусов увеличивают температуру рекристаллизации и наоборот

- титан увеличивает пластичность, кратковременные мех.свойства, но снижает жаропрочность, добавление ниобия (V-10%Ti-1%Nb) или кремния (V-2,5%Ti-1%Si) делает сплавы перспективными для оболочек твэлов БН с натрием при температуре 650-800^оС

- ниобий как основа эффективнее увеличивает жаропрочность, но несколько снижает пластичность

- цирконий для жаропрочности вводят до 2-3% (далее- хрупкий интерметаллид)

- при относительно невысокой жаропрочности сплавы ванадия превосходят многие жаропрочные сплавы железа и никеля по удельной прочности

- низка температура плавления у ванадия оксидной плёнки (675 ^оС), легирование увеличивает её, но всё же работоспособность в окислительной атмосфере обеспечивают защитными покрытиями

· Сплавы ниобия

- преимущества ниобия - высокая Т_m, низкая плотность, высокая пластичность, технологичность, небольшое сечение захвата нейтронов

- недостатки – высокая хим. активность, низкая жаростойкость, высокая поглощаемость примесей, дороговизна, долгоживущие радиоактивные изотопы

- наилучшие упрочнители – хром, ванадий, цирконий (наиболее отличаются по размерам от ниобия)

- жаропрочность лучше обеспечивают тугоплавкие Mo, Hf, Ta, W

- примеры промышленных сплавов

Марка сплава	Состав сплава, %	1095оС	1200оС
sв, МПа	s100, МПа	sв, МПа	s100, МПа
ВН2А (до 1250оС)	Nb+4,5Mo+0,7Zr++(£0,08C)				-
BH-3 (до 1300оС)	Nb+4,6Mo+1,4Zr++0,12C				-
BH-4 (до 1300оС)	Nb+6Mo+0,72Zr++0,1C+0,03Ce(La)				-

 

- для увеличения жаростойкости добавляют алюминий и хром (при 20%Al и 15%Cr скорость окисления мала до 1000^оС)

- для температуры свыше 1300^оС используют сплав, упрочнённый Nb₂C

· Сплавы тантала

- вольфрам увеличивает кратковременные и длительные мех. свойства и обеспечивает перспективу работоспособности до 1700^оС

- менее жаропрочны сплавы с ниобием и ванадием

- скорость окисления сравнима у сплавов и чистого тантала

- тантал очень дорог

· Сплавы хрома

- хром относительно дёшев, доступен

- как и всем тугоплавким сплавам хрома присуща низкая пластичность при 20^оС, высокая температура хрупко-вязкого перехода

- жаропрочность (до 1000-1200^оС) превосходит жаро-прочность сталей и сплавов на основе железа и никеля

- сплавы хрома отличаются хорошей сопротивляемостью окислению, но при Т>700^оС необходимо снижать поглощение азота

- обрабатываются резанием в горячем состоянии, но сварные соединения хрупки

· Сплавы молибдена

- нет проблем с легированием

- сплавы хорошо обрабатываются резанием

- промышленные сплавы имеют добавки от 0,1 до 5% металлов 4 периода, от 0,004 до 0,5% С, от 0,5 до 50% (W, Re) и работают до 1100-1300^оС

· Сплавы вольфрама

- самая высокая температура плавления, модуль Юнга, довольно теплопроводен, прочен, твёрд

- недостатки – низкая пластичность, жаростойкость, дорог, сложность получения

- молибден и ниобий, цирконий и титан увеличивают жаропрочность вплоть до 2000^оС

- низкая жаростойкость слабо устраняется легированием и сплавы нуждаются в защитных покрытиях

Коррозионная и радиационная стойкость

· поведение в жидкометаллическом теплоносителе

- слабо растворяются в расплавленных щелочных металлах и считаются (главным образом Nb, Ta, Mo, W) перспективными для высокотемпературных установок с жидким теплоносителем

- коррозия, растворение усиливается при присутствии примесей, в первую очередь кислорода в натрии и калии, азота в литии

- выход в использовании геттеров-ловушек (цирконий, тантал и др.)

- возможен перенос массы при контакте с другими материалами, легированием снижают и этот эффект

- существующие сплавы способны работать в контакте с щелочными металлами до 1200^оС в течение 10⁴ часов

- при более высоких температурах ресурс ограничивает либо коррозия, либо ползучесть

- облучение или снижает, или не влияет заметным образом на коррозию в условиях радиационного упрочнения и усиления хрупкости сплавов

·совместимость с топливом

- плохо совместимы с ураном хром и ванадий (образование легкоплавких эвтектик)

- совместимость в других материалах лучше и возрастает последовательно в ряду Mo, Nb, Ta, W

- плутоний в этом смысле агрессивнее урана

- совместимость с неметаллическим топливом лучше и обеспечивается при 1000 и даже 2000^оС

- тугоплавкие значительно лучше совместимы с топливом по сравнению со сталями и сплавами железа и никеля и их можно рассматривать как натболее перспективные для оболочек твэлов, работающих при температуре 1000^оС и выше в быстрых реакторах с жидкометаллическим и газовым теплоносителем

· радиационная стойкость и применение материалов

- радиационное упрочнение

- мера - Ds_0,2 = АФⁿ, n = 0,25-0,50, Ds_0,2 может достигать 450 МПа и зависит от Т, отжиг наблюдают при Т/Т_m = 0,4-0,5 (в сплавах ванадия и ниобия происходит начиная с 400^оС и завершается при 600-650^оС, в молибдене Ds_0,2>0 до 1000^оС, в вольфраме – до 1350^оС

- радиационно-термическое упрочнение (РТУ) в ОЦК-металлах (пики упрочнения при отжиге с увеличением Т – эффект зависит от содержания кислорода и углерода и может составить 250 МПа)

- радиационное охрупчивание

- облучение увеличивает температуру хрупко-вязкого перехода в молибдене на 60^оС, в вольфраме – на 120^оС

- в хрупкой области проявляется НТРО с полным исчезновением пластики, в вязкой области Т проявляется ВТРО (в ниобии и его сплавах не замечено)

- распухание

- как и у всех ОЦК-материалов распухание мало

- в области 450-790^оС оно может составить 1-2%

- о применении

- тугоплавкие материалы по жаропрочности при

Т/Т_m = 0,55-0,65 не имеют себе равных, рабочие температуры (как и у дисперсионно-твердеющих сплавов никеля) можно довести до (0,6-0,8) Т_m

- с учётом хорошей совместимости с топливом (особенно неметаллическим) и жидкими метал-лами они перспективны для реакторов БН и космических апаратов (эмиттеры в термоэмиссионных преобразователях)

- наиболее перспективны ниобий, ванадий и их сплавы (благоприятное сочетание жаропрочности, коррозионных и ядерных свойств, технологич-ности – деформирумости и свариваемости), из них можно изготавливать оболочки твэлов, трубо-проводы, парогенераторы, детали насосов и т.д., низкая упругость паров (кроме хрома) делает их перспективным космическим материалом, это - материалы энергетики будущего

- есть опыт использования ниобиевых контуров с K, Na, Li при Т до 1100^оС, вольфрама и молибдена термоэмиссионных преобразователях

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: