b-стабилизаторы: Mo, V, Zr, Mn и др.

Лекция 11. ДРУГИЕ ГПУ- материалы В АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Титан. Применение и радиационная стойкость титана и его сплавов

Бериллий. Применение и радиационная стойкость бериллия и его сплавов

Магний. Применение и радиационная стойкость магния и его сплавов

Титан. Применение и радиационная стойкость титана и его сплавов

 

1. Характеристики титана

 

Аллотропия	a (до 882оС) с ГПУ решёткой, b (882-1660оС) с ОЦК решёткой
Температура плавления	1660оС
Положение в таблице Менделеева	IVa-группа, Z=22, 3s23p6 3d24s2, A=47,90
Сечение поглощения т.н.	5,6 б (сталь – 2-3, Zr-0,185)
Атомный радиус	0,160 нм
Параметры a-фазы (ГПУ)	а=0,295 нм, с=0,468 нм, с/а=1,587 (идеал. – 1,63) плотность 4,50 г/см3
Параметры b-фазы (ОЦК)	а=0,328 нм,

 

·малая плотность, технологичен, немагнитен, прочен, коррозионностоек, куётся в горячем виде, химически активен (высокая электроотрицательность)

·недостатки – дорог, низкий модуль Юнга - 1,05×10⁵ МПа (у Zr – 0,83×10⁵ Мпа, у сталей – (1,8-2,0)×10⁵ МПа), высокое сродство к водороду, кислороду, азоту, углероду (взаимодействие при повышенных Т, водородное охрупчивание при С_Н>0,01 %), низкая пластичность из-за малого числа плоскостей скольжения (как и у циркония, последовательность по мере снижения лёгкости скольжения – призматические, базисные, пирамидальные),

· мало склонен к деформационному упрочнению, но склонен к деформационному старению при 200-400^оС, с ростом Т падает пластичность

2. Сплавы титана и их свойства

· a-стабилизаторы: Al, Ga, Ce, La, C, O, N

b-стабилизаторы: Mo, V, Zr, Mn и др.

· легирование – как правило, увеличение прочности за счёт твёрдорастворного и дисперсионного упрочнения,

- Al уменьшает склонность к водород-ному охрупчиванию, позволят в широких пределах изменять прочность, но из-за снижения пластичности его ограничивают содержанием 7 %

- Sn, Zr – понижают склонность к хладноломкости, улучшают свариваемость, увеличивают прочность и жаропрочность до средних Т, повышают термическую стабильность

·классификация сплавов

- сплавы с a-структурой, твёрдый раствор, не упрочняются при термообработке (ВТ1-00, ВТ1-0, Ti-Al, Ti-Al-Sn, Ti-Al-Mn(<)), упрочнение увеличивают добавки и деформация, при быстром охлаждении – мартенситное превращение, s_в,max ~ 900 МПа

- сплавы с b-структурой - ВТ-15 (3Al-7Mo-11Cr), ТС-6 (3Al-5Mo-6V-11Cr), ИВТ-1 (3Al-7Mo-5,5Cr-3Fe), 4201(30Mo), термообработкой достигают рекордной прочности, s_в,max ~ 900 МПа

- сплавы с (a+b)-структурой – Ti-Al-V, двухфазное состояние, иногда с интерметаллидом, ТО может сильно упрочнить, снизив пластичность, чаще всего плохо свариваются, s_в,max ~ 1600 МПа

- разделение на

– деформируемые (с Al) a наиболее технологичны, свариваются, нежаропрочны (до 350^оС) ВТ-5, ВТ5-1, a-псевдо более жаропрочны (до 550^оС) ОТ4, ВТ18, остальные плохо свариваются, но используются до 500 ^оС - ТС6, 4201(b), ВТ6-ВТ22,ВТ3-1 (a+b)

– литейные ВТ1-0, ВТ3-1Л (жаропрочен), ВТ5Л, ВТ3-1Л, все жидкотекучи

– порошковые, все сплавы можно получать из порошков, высокая однородность

· коррозионная стойкость

– титан несмотря на химическую активность стоек из-за образования устойчивой плёнки рутила (TiO₂), наиболее стоек в атмосфере и морской воде

– однофазные сплавы сходны по стойкости с титаном технической чистоты, гетерогенные – стойкость понижена

– если стойкость определяется плёнкой, то есть склонность в коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН), чему способствует водород

· радиационная стойкость

- упрочнение на 30 % со снижением d до 3-6 %, наиболее стоек чистый титан ВТ1-0, упрочнение увеличивает легирование в последовательности Zr, V, Al и образование мартенсита

- увеличивается охрупчиваемость, в меньшей степени у сплавов с цирконием, в большей степени из-за кислорода, азота, водорода

- распухание невелико (при 80 сна не более 0,6 %)

· применение

- при температуре до 590^оС из-за высокой ползучести

- применение в авиации(лопатки турбин), ракетах, электронике, космосе, химии, кораблестроении (днища)
в атомной энергетике

 

 

Бериллий. Применение и радиацион-ная стойкость бериллия, его сплавов

 

1. Бериллий

Содержание в земной коре	Очень мало (дорог)
Способы получения	Магниетермическое восста-новление (96 % Be) или электролиз (99/5 % Be) фторида, вакуумный очисти-тельный переплав
Аллотропия	a (до 1254оС) с ГПУ решёткой, b(1254-1284оС) с ОЦКрешёткой
Температура плавления	1284оС
Положение в таблице Менделеева	IIА - группа, Z=4, 1s22s2, A=9,02
Сечение поглощения т.н.	0,009 б (сталь – 2-3 б)
Атомный радиус	0,125 нм
Параметры a-фазы (ГПУ)	а=0,228 нм, с=0,358 нм, с/а=1,567 (идеал. – 1,63) плотность 1,85г/см3

 

 

· самый лёгкий из металлов

· по удельной прочности ему нет равных

· высокое сечение рассеяния нейтронов определяет его роль как отражателя нейтронов в ряде реакторов

· текстура чаще базисная (в отличие от циркония)

· анизотропия в согласии с текстурой – предел текучести в направлении (11 ) в сто и более раз больше, чем по (0001)

· независимость модуля Юнга (~10⁵ МПа) от Т

· недостатки

- токсичность

- низкая пластичность и технологичность, хладноломкость (ниже 230^оС), красноломкость (450- 650^оС) из-за

1) частично ковалентной связи

2) высокая химическая активность (низкая электроотрицательность) и взаимодействие с примесями (твёрдые растворы, интерметаллиды)

 

2. Сплавы бериллия

· задача легирования – повышение пластичности и вязкости разрушения

· увеличение отношения с/а в решётке до 1,59 (самые пластичные ГПУ-материалы), ограничением служит малая растворимость в бериллии

· более действенен подход к выводу примеси добавками

· легирование эффективно с ростом температуры

· эффективна многократная зонная плавка (увели-чение d до 100 %), порошковая металлургия

 

3. Радиационная и коррозионная стойкость

· упрочнение в 1,5-2 раза с существенной потерей пластичности при облучении до Ф_бн~10²¹ см^-2, при этом несколько снижается теплопроводность

· образование гелия и трития по (n,a)-реакциям и связанное с этим распухание бериллия на несколько процентов при Ф_бн~10²⁰ см^-2 и Т_обл=700-750^оС, что ещё больше снижает пластичность

· при 500^оС бериллий несовместим с железом, никелем, цирконием и совместим с алюминием, марганцем

· коррозионная устойчивость на воздухе до 400^оС, стойкость в чистой воде, уменьшение стойкости при наличии хлоридов, сульфатов, что требует очехловки сплавами циркония, достаточная стойкость в сухом кислороде до 650^оС, в водяном паре и влажном кислороде - до 600^оС, в углекислом газе - до 700^оС, в натрии - до 500^оС, в литии и эвтектике свинец-висмут - до 600^оС

 

4. Применение

· в авиационном строении – отдельные детали крыльев, панелей, обшивок (независимость упругости от Т)

· проволока микронной толщины в композитах (высокая удельная прочность)

· теплозащита головок и крыльев спускаемых аппаратов, кабины космонавтов, детали радиаторов (хорошая удельная теплоёмкость и теплопроводность)

· точные приборы наведения, гироскопы (малая плотность и высокая прочность)

·замедлитель и отражатель в реакторах подлодок, космических реакторах, исследовательских реакторах, испытательных материаловедческих, технологических и др. реакторах (низкое сечение захвата тепловых нейтронов, высокое сечения их рассеяния, малая плотность)

· окна рентгеновских трубок (слабо поглощает g-лучи)

· зеркала и др. элементы лазерной оптики, точных приборов (совокупность разных свойств)

· замедлитель и отражатель нейтронов в виде оксида бериллия (Т_m = 2550^оС)

 

Магний. Применение и радиационная стойкость магния и его сплавов

 

1. Магний

Аллотропия	a (до Тm) с ГПУ решёткой
Температура плавления	649,5оС
Положение в таблице Менделеева	II-группа, Z=12, 2s22p63s2, A=24,32
Сечение поглощения т.н.	0,066 б (меньше лишь у Be)
Атомный радиус	0,160 нм
Параметры a-фазы (ГПУ)	а=0,320 нм, с=0,520 нм, с/а=1,624 (идеал. – 1,63) плотность 1,74 г/см3
Плоскость лёгкого сколь-жения	Базисная 0001 до 225оС, > 225оС – пирамидальная

· дёшев, доступен, имеет хорошие теплофизические и ядерно-физические свойства, что делает материалом для оболочек твэлов некоторых реакторов

· как щёлочноземельный металл легко отдаёт валентные электроны (низка электроотрицательность) и поэтому является хорошим восстановителем оксидов почти всех металлов

· низкая пластичность (только одна система скольжения) по сравнению с ГЦК-металлами

· недостатки

– большая склонность к росту зерна даже при температуре 100^оС (энергия активации ~0,8 эВ в два раза меньше энергии самодиффузии), что приводит к охрупчиванию

– низкая коррозионная стойкость на воздухе и в воде

– низкая температура плавления

– склонность к самовоспламенению

2. Сплавы магния

· низкая электроотрицательность является причиной малой растворимости (до 1 %) большинства металлов (только Li, Al, Sc, In, Ti растворяются свыше 10 %)

· с учётом стоимости как основные добавки используются Li, Al, Zn, Cd, Mn, как вспомогательные – Ca, Zr, Be, вредными считают K, Sr,Ba, Ni, Cu, Si, Sb

· упрочнённые легированием сплавы имеют узкий диапазон термостойкости из-за низких температур эвтектик и интеметаллидов

· промышленные сплавы являются

- композициями Mg-Al-Zn, Mg-Zn-Zr и используются до 150⁰С, но склонны к КРН и захватывают много тепловых нейтронов (у Zn сечение 1,06 б)

Mg-Mn, Mg-Mn-Ce, Mg-Ce-Zr, Mg-Nb-Zr используются до 250⁰С, но Ce сильно снижает пластичность

- Mg-Th-Zr, Mg-Th-Mn используются до 300⁰С и выше, Th также снижает пластичность

 

3. Применение в ядерной энергетике

·оболочки твэлов (с использованием при приготовлении аргонно-дуговой или электронно-лучевой сварки) в уран-графитовых и тяжёловодных реакторах на природном уране (благодаря низкому сечению поглощения тепловых нейтронов) и с газовым теплоносителем (CO₂), это реакторы двойного назначения (производство плутония и электроэнергии), температура теплоносителя в АЗ – 350-450^оС, оболочки совместимы с ураном до 500^оС

· недостаточная жаропрочность компенсируется большой податливостью сплавов вследствие ползучести

· жаропрочность иногда поднимают, используя порошковую металлургию, но при этом теряют пластичность

·радиационная стойкость при рабочих температурах реактора достаточно высока, поскольку радиационные дефекты при таких Т отжигаются с сохранением исходной пластичности (температура рекристаллизации около 150^оС)

· облучение практически не усиливает и окислительные процессы в двуокиси углерода

· опасность представляет возможность само-воспламенения и полного сгорания в теплоносителе при температуре порядка 600-640^оС

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: