нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Цирконієві сплави

   
 

Цирконієві сплави, сплави наоснове цирконію . До початку 50-х рр.. 20 в. Ц. с. вивчалися мало і практично не застосовувалися, а отримана у той час інформація про їх властивості у багатьох випадках була недостовірною, унаслідок використання для досліджень недостатньо чистого цирконію і недосконалих методів приготування сплавів. Становище різко змінилося, коли на початку 50-х рр.. вдалося отримати цирконій, очищений від домішки гафнію, і було виявлено, що такий метал має малий поперечний переріз поглинання теплових.

Механічне властивості цирконієвих сплавів
Сплав

Напівфабрикат (стан)

При 20? С При 300? С

межа міцності

sВ


Относи-

тельное удлин-
ня d%

межа міцності s В


Относи-
тельное удлин-

ня d ж

790 2

79 2'

27 2


560 2'

56


23

нейтронів. Це дозволило розглядати цирконій (за наявності інших сприятливих властивостей) як вельми перспективний матеріал для конструкцій енергетичних ядерних реакторів на теплових нейтронах. Однак, як показали перші дослідження, використовувати для цієї мети нелегований цирконій не представлялося можливим в першу чергу через нестабільну корозійної стійкості його в нагрітій воді. Ця обставина стимулювало початок інтенсивних досліджень Ц. с., В результаті чого були розроблені промислові сплави, що знайшли широке застосування в ядерній енергетиці. Ц. с. використовуються для елементів конструкції активної зони ядерних реакторів на теплових нейтронах - оболонки тепловиділяючих елементів (твелів), канали, касети, дистанційні решітки та ін Найбільше застосування Ц. с. отримали в реакторах з пароводяним теплоносієм. Ц. с. поряд з малим поперечним перерізом поглинання теплових нейтронів володіють високою і стабільною корозійною стійкістю у воді і парі високих параметрів і в інших агресивних середовищах, хорошою пластичністю і задовільними характеристиками міцності. До легирующим елементам Ц. с. пред'являється комплекс вимог: одні з них повинні значно послаблювати (придушувати) шкідливий вплив азоту на корозійну стійкість цирконію (при допустимому вмісті азоту в сплавах менше 0,01%), інші - відчутно не збільшувати поперечний переріз поглинання теплових нейтронів, не знижувати радіаційну стійкість, підвищувати характеристики міцності і при цьому істотно не зменшувати пластичність (сплави мають бути придатні для виготовлення з них особливо тонкостінних труб і листів, володіти хорошою зварюваністю). Тому вибір легуючих добавок обмежений порівняно невеликим числом елементів при невисокому вмісті їх в сплавах. Для легування використовуються Nb, Sn, Fe, Cr, Ni, Cu і Mo, які вводяться в кількостях від часток відсотка до 2-3% (у сумі).

З великого числа досліджених Ц. з. практичне застосування знайшли лише деякі. За кордоном найбільшого поширення набув американський сплав ціркалой-2 (1,5% Sn, 0,1% Fe, 0,1% Cr, 0,05% Ni і не більше 0,01% N). Використовується також сплав ціркалой-4 (відрізняється від ціркалоя-2 пониженим вмістом нікелю - 0,007%). Сплав ціркалой-2 спеціально розроблявся і був спочатку використаний для оболонок твелів реактора першої американської атомної підводного човна "Наутілус", потім знайшов застосування в багатьох енергетичних реакторах атомних станцій для твелів і каналів, що працюють у воді і пароводяних сумішах з температурою 250-300? C. У СРСР розроблені і застосовуються оригінальні сплави, що не містять олова, - Zr1Nb і Zr2, 5Nb (відповідно з 1 і 2,5% Nb). Сплав Zr1Nb вперше був застосований для твелів реактора атомного криголама "Ленін", а сплав Zr2, 5Nb - для касет реактора Ново-Воронезької АЕС. У середині 70-х рр.. сплави Zr1Nb і Zr2, 5Nb використовуються для оболонок твелів, касет і каналів реакторів більшості атомних електростанцій СРСР і соціалістичних країн. Крім того, сплав Zr2, 5Nb застосований в ряді реакторів в Канаді. За корозійної стійкості сплав Zr2, 5Nb порівнянний із сплавами типу ціркалой, проте він має меншу схильність до наводороживания, не схильний зниження опору корозії під опроміненням і володіє більшою міцністю, зокрема вищим опором повзучості. Незважаючи на високу температуру плавлення цирконію (1852? C), його відомі сплави не відрізняються високою жаропрочностью і практично придатні для роботи в пароводяних середовищах при температурах не вище 400? C. При більш високих температурах поряд зі зниженням міцності Ц. с. відбувається сильне окислення їх з розчиненням кисню, що приводить до втрати пластичності і наводороживания, яке викликає охрупчивание в результаті утворення гідридів. Механічні властивості Ц. с. типу ціркалой і цирконій-ніобієвих сплавів за рівнем міцності і пластичності (при короткочасних випробуваннях) одного порядку (див. табл.) і залежать, як і для інших металевих матеріалів, від структурного стану, обумовленого термічної і деформаційної обробкою.

Ц. с. виплавляють в дугових вакуумних печах з витрачаються електродом і електроннопроменевих печах. Використовується цирконій т. н. ядерної чистоти (значно очищений від гафнію та ін домішок з великим поперечним перерізом поглинання теплових нейтронів). Напівфабрикати з Ц. с. виготовляються на звичайному устаткуванні, вживаному для багатьох кольорових металів. Отжиг проводиться у вакуумних печах. Якщо в ядерній енергетиці Ц. с. одержали широке поширення, то в ін областях техніки вони практично не знайшли застосування; зокрема, як конструкційний і корозієстійкий матеріал вони поступаються міцнішим, легким і дешевим титановим сплавам.

Літ.:

Металургія цирконію, пров. з англ., М., 1959; Праці другої Міжнародної конференції з мирного використання атомної енергії, Женева, 1958. Доповіді радянських вчених, т. 3, М., 1959, с. 486; Рівкін Є. Ю., Родченков Б. С., Філатов В. І., Міцність сплавів цирконію, М., 1974; Дуглас Д., Металознавство цирконію, пров. з англ., М., 1975 (літ.).

А. А. Кисельов.

Zr2,5Nb


То же

450

45

25

300

30

23

Циркалой-2


Трубы (холоднокатаные)

690

69

22

400

40

19

Zr2,5Nb


То же

790

79

27

560

56

23

нейтронов. Это позволило рассматривать цирконий (при наличии других благоприятных свойств) как весьма перспективный материал для конструкций энергетических ядерных реакторов на тепловых нейтронах. Однако, как показали первые исследования, использовать для этой цели нелегированный цирконий не представлялось возможным в первую очередь из-за нестабильной коррозионной стойкости его в нагретой воде. Это обстоятельство стимулировало начало интенсивных исследований Ц. с., в результате чего были разработаны промышленные сплавы, нашедшие широкое применение в ядерной энергетике. Ц. с. используются для элементов конструкции активной зоны ядерных реакторов на тепловых нейтронах - оболочки тепловыделяющих элементов (твэлов), каналы, кассеты, дистанционные решётки и др. Наибольшее применение Ц. с. получили в реакторах с пароводяным теплоносителем. Ц. с. наряду с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов обладают высокой и стабильной коррозионной стойкостью в воде и паре высоких параметров и в других агрессивных средах, хорошей пластичностью и удовлетворительными прочностными характеристиками. К легирующим элементам Ц. с. предъявляется комплекс требований: одни из них должны значительно ослаблять (подавлять) вредное влияние азота на коррозионную стойкость циркония (при допустимом содержании азота в сплавах менее 0,01%), другие - ощутимо не увеличивать поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов, не снижать радиационную стойкость, повышать прочностные характеристики и при этом существенно не уменьшать пластичность (сплавы должны быть пригодны для изготовления из них особо тонкостенных труб и листов, обладать хорошей свариваемостью). Поэтому выбор легирующих добавок ограничен сравнительно небольшим числом элементов при невысоком содержании их в сплавах. Для легирования используются Nb, Sn, Fe, Cr, Ni, Cu и Mo, которые вводятся в количествах от долей процента до 2-3% (в сумме).

Из большого числа исследованных Ц. с. практическое применение нашли лишь немногие. За рубежом наибольшее распространение получил американский сплав циркалой-2 (1,5% Sn, 0,1% Fe, 0,1% Cr, 0,05% Ni и не более 0,01% N). Используется также сплав циркалой-4 (отличается от циркалоя-2 пониженным содержанием никеля - 0,007%). Сплав циркалой-2 специально разрабатывался и был сначала использован для оболочек твэлов реактора первой американской атомной подводной лодки "Наутилус", затем нашёл применение во многих энергетических реакторах атомных станций для твэлов и каналов, работающих в воде и пароводяных смесях с температурой 250-300 ?C. В СССР разработаны и применяются оригинальные сплавы, не содержащие олова, - Zr1Nb и Zr2, 5Nb (соответственно с 1 и 2,5% Nb). Сплав Zr1Nb впервые был применен для твэлов реактора атомного ледокола "Ленин", а сплав Zr2, 5Nb - для кассет реактора Ново-Воронежской АЭС. В середине 70-х гг. сплавы Zr1Nb и Zr2, 5Nb используются для оболочек твэлов, кассет и каналов реакторов большинства атомных электростанций СССР и социалистических стран. Кроме того, сплав Zr2, 5Nb применен в ряде реакторов в Канаде. По коррозионной стойкости сплав Zr2, 5Nb сопоставим со сплавами типа циркалой, однако он имеет меньшую склонность к наводороживанию, не подвержен снижению сопротивления коррозии под облучением и обладает большей прочностью, в частности более высоким сопротивлением ползучести. Несмотря на высокую температуру плавления циркония (1852 ?C), его известные сплавы не отличаются высокой жаропрочностью и практически пригодны для работы в пароводяных средах при температурах не выше 400 ?C. При более высоких температурах наряду со снижением прочности Ц. с. происходит сильное окисление их с растворением кислорода, приводящее к потере пластичности и наводороживанию, которое вызывает охрупчивание в результате образования гидридов. Механические свойства Ц. с. типа циркалой и цирконий-ниобиевых сплавов по уровню прочности и пластичности (при кратковременных испытаниях) одного порядка (см. табл.) и зависят, как и для других металлических материалов, от структурного состояния, обусловленного термической и деформационной обработкой.

Ц. с. выплавляют в дуговых вакуумных печах с расходуемым электродом и электроннолучевых печах. Используется цирконий т. н. ядерной чистоты (значительно очищенный от гафния и др. примесей с большим поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов). Полуфабрикаты из Ц. с. изготовляются на обычном оборудовании, применяемом для многих цветных металлов. Отжиг проводится в вакуумных печах. Если в ядерной энергетике Ц. с. получили широкое распространение, то в др. областях техники они практически не нашли применения; в частности, как конструкционный и коррозионностойкий материал они уступают более прочным, лёгким и дешёвым титановым сплавам.

Лит.: Металлургия циркония, пер. с англ., М., 1959; Труды второй Международной конференции по мирному использованию атомной энергии, Женева, 1958. Доклады советских ученых, т. 3, М., 1959, с. 486; Ривкин Е. Ю., Родченков Б. С., Филатов В. И., Прочность сплавов циркония, М., 1974; Дуглас Д., Металловедение циркония, пер. с англ., М., 1975 (лит.).

© А. А. Киселев.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка