Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

299

10.2. Уран и его сплавы

Уран – серебристо-белый блестящий металл, по внешнему виду по-

хожий на сталь. Он был открыт в 1789 г. немецким химиком Клапротом и

назван в честь планеты Уран.

Структура и свойства урана

Природный уран состоит из ряда изотопов с массовыми числами:

234 (0,0056 %), 235 (0,718 %) и 236 (99,276 %). Изотопы уран-234 и уран-

235 являются единственными встречающимися в природе делящимися

изотопами, что предопределило широкое применение природного урана

как основного ядерного горючего. При делении изотопа уран-234 выделя-

ется огромное количество энергии. Сравнение этих количеств энергии с

теплотворной способностью угля (5000 кал/

г) показывает, что при полном

сгорании 1 г урана выделяется тепло в количестве, эквивалентном сжига-

нию 4 т угля.

Наиболее распространенный изотоп уран-236 превращается при об-

лучении нейтронами в делящийся плутоний (Рu

239

). Основные свойства

урана приведены в табл.10.2.

Таблица 10.2

Физические свойства урана

пл

С t

кип

С Тип кристаллической решетки Плотность при 25

С, г/см

1132 3813

–U до 668

С – ромбическая

β–U 668 – 775

С – тетрагональная

γ–U от 775

С – ОЦК

19,07

В земной коре содержится 4·10

-4

% урана. Механические свойства

литого урана: σ

= 457 МПа; δ = 5 %.

Уран в компактном металлическом виде получают путем восста-

новления тетрафторида урана UF

магнием или кальцием в герметических

сосудах (бомбах). В результате восстановления тяжелый металлический уран

оседает и отделяется, образуя компактный металл (черновой слиток) относи-

тельно высокой степени чистоты (слиток содержит 0,01 % N; 0,015–0,075 % С;

0,015 % Fe; 0,0065 % Si; 0,0025 % Мn; 0,01 % Ni; 0,0025 % Mg; 0,0065 % Сr

и 0,0001 % Ag).

300

Описанным выше способом можно получить достаточно большие

черновые слитки, не требующие переплавки перед дальнейшей обработ-

кой. Однако в ряде случаев (например, для получения сплавов) произво-

дится повторная переплавка чернового металла на слитки для обработки

давлением.

Плавку в основном проводят в индукционных печах с применением

тиглей из окиси тория или окиси

бериллия. Горячую ковку слитков прово-

дят при температуре 600

С. Для получения листовых материалов приме-

няют горячую прокатку при температуре 600

С и последующую тепловую

прокатку при 300

С. Заготовки перед горячей прокаткой нагревают в со-

ляных ваннах (смесь карбонатов калия и лития), перед тепловой прокаткой –

в масляных ваннах. Прессование (выдавливание) урана проводят при

температуре 800–850

С с применением технологического защитного

медного покрытия, которое после обработки удаляют травлением. Это

покрытие одновременно служит смазкой и предохраняет от налипания

урана на матрице.

Уран значительно разупрочняется с повышением температуры. Рез-

кое различие в свойствах урана при 666 и 776

С зависит от его модифика-

ции, в которой он находится при температуре испытания.

Чистый уран используют в виде стержней в ядерных реакторах. В

качестве конструкционногой материала чистый уран не применяют. Для

целей ядерной техники применяют ряд сплавов урана.

Сплавы урана

Ниобий совместим с ураном и хорошо противостоит воздействию

облучения. Под действием медленных и быстрых нейтронов он со време-

нем заметно упрочняется, сохраняя при этом удовлетворительную пла-

стичность. Так, например, до облучения ниобий имел следующие ме-

ханические свойства: σ

= 480 МПа; δ = 21 %; ψ = 27 %, после облучения

= 563 МПа; δ = 8 %; ψ = 48 %. Хорошей совместимостью с ураном и

низким поглощением тепловых нейтронов обладает также и цирконий.

Благодаря этим свойствам, ниобий и цирконий в сплавах с ураном

применяют для оболочек и топливных стержней в ядерной энергетике.

Ниобий используют также в качестве присадки к урану для повышения его

коррозионной стойкости в перегретом

паре, В ядерной технике получили

применение сплавы урана с 10–20 % Nb. Согласно диаграмме состояния

U–Nb (рис. 10.2), при температурах выше 975

С в системе образуется не-

прерывный ряд твердых растворов. Ниже этой температуры происходит

распад γ-твердого раствора на два твердых раствора.

301

Рис. 10.2. Диаграмма со-

стояния системы Nb–U

Рис. 10.3. Диаграмма со-

стояния системы U–Zr

302

Основа сплава – α-твердый раствор на основе урана, легированный

ниобием – обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем чистый

уран, что приводит к общему повышению стойкости урана в рабочих усло-

виях ядерного реактора.

Значительный интерес представляют также сплавы урана с цирко-

нием. Добавки циркония в уране так же, как ниобий, повышают прочность

урановых стержней и их коррозионную стойкость. Практическое приме-

нение получили сплавы с содержанием до 10–15 % Zr. Согласно диаграмме

состояния U–Zr (рис. 10.3), эти сплавы так же, как и сплавы с ниобием,

принадлежат двухфазной области. Структура их состоит из смеси твердых

растворов на основе урана и циркония.

Легирование урана цирконием приводит к его упрочнению и повы

шению коррозионной стойкости. В качестве топливных пластин и стерж-

ней используют также тройные сплавы урана с ниобием и цирконием.

10.3. Плутоний и его сплавы

Плутоний является первым искусственным элементом, полученным

человеком, он был открыт в 1940–1941 гг. американскими учеными Сибор-

гом, Макмилланом, Кеннеди и Валем, получившими изотоп 238Pu в ре-

зультате облучения урана ядрами тяжелого изотопа водорода – дейтрона-

ми. Назван в честь планеты Плутон.

Структура и свойства плутония

Плутоний обладает комплексом уникальных физических и ядерных

свойств (высокое электрическое сопротивление, необычно высокий коэф-

фициент линейного расширения и др.), которых не имеют другие металлы.

Температура плавления плутония составляет (639,5 ±2)

С. Темпера-

тура кипения: (3235 ±19)

С.

Характерной особенностью плутония, как и других радиоактивных

металлов, является наличие большого числа полиморфных превращений,

происходящих с повышением температуры. Кристаллические структуры

различных модификаций, температурых полиморфных превращений и

плотность плутония приведены в табл. 10.3, из которой видно, что с по-

вышением температуры происходит перестройка структуры металла из бо-

лее сложных форм с большим

числом атомов в элементарной ячейке (до 30

303

и более) в более простые кристаллические решетки с 2–4 атомами в эле-

ментарной ячейке.

Таблица 10.3

Кристаллическая структура различных модификаций,

температуры полиморфных превращений и плотность плутония

Модификация Плотность, г/см

Решетка

Температура полиморф-

ных превращений,

19,86 Моноклинная 121

17,91 Моноклинная ОЦ 208

17,14

Ромбическая гранецен-

трированная

310

15,92 ГЦК 450

δ'

16,0 ТОЦ 470

16,51 ОЦК –

Наличием большого количества полиморфных превращений у плу-

тония объясняется сложный характер фазового равновесия в сплавах с раз-

личными металлами.

Металлический компактный плутоний получают восстановлением

тетрафторида (PuF

) кальцием в герметизированном реакторе (бомбе), на-

греваемом в индукционных или тигельных электропечах. Реакция восста-

новления достаточно интенсивно проходит при температуре 600 °С. Полу-

ченный плутоний имеет чистоту 99,87 % (мас.). Обычно металл содержит

следующие примеси: 0,05 % Fe, 0,04 % С, 0,02 % Cr, 0,02 % Ni, 0,01 % Sb и

0,01 % Si.

Механические свойства литого плутония: σ

= 310–380 МПа;

δ = 0,5–1,0 %. Микротвердость α-Pu составляет 2950 МПа; β-Pu – 1000 МПа;

γ-Pu – 1100 МПа.

Путем переплавки плутония в вакуумных печах можно получать

слитки чистого металла или его сплавов. Микроструктура литого плутония

имеет полиэдрическое строение, свойственное чистым металлам. Однако в

зависимости от полиморфного состояния структура может иметь различ-

ное строение.

Плутоний как радиоактивный элемент применяют

в основном в во-

енной технике для производства термоядерного оружия. Распад (деление)

некоторых из его изотопов сопровождается выделением огромного коли-

чества энергии, которая используется при атомных взрывах. Однако плу-

тоний имеет также большое значение для мирных целей в качестве горю-

чего в энергетических ядерных реакторах.

304

При облучении нейтронами наиболее распространенного изотопа

уран-238 получается делящийся плутоний Рu

239

, применение которого как

побочного продукта сжигания урана в ядерных реакторах может увеличить

мировые запасы ядерной энергии более чем в 100 paз. Однако высокая

стоимость исходного сырья, низкое содержание извлекаемого металла и

сложность процесса отделения плутония от сопровождающего его урана и

продуктов деления делают плутоний весьма дорогим и пока мало доступ-

ным

материалом для его использования в ядерной технике.

Сплавы плутония

Сплавы плутония с алюминием

обычно содержат 2–20 % (мас.)

[0,2–2,8 % (ат.)] Рu. Их используют в тепловых реакторах как очень раз-

бавленное твердое горючее. Диаграмма состояния Al–Pu дана на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Диаграмма

состояния системы Al–Pu

Растворимость плутония в твердом состоянии составляет порядка

0,06 % при температуре эвтектики (~ 652

С), уменьшаясь приблизительно

до 0,02–0,03 % при 427

С. Эвтектическое превращение Ж → (А1 + РuА1

)

происходит при 650–653

С. Эвтектическая точка отвечает ≈ 13 % (мас.) Рu.

Соединение РuА1

(69,2 % Рu) имеет орторомбическую решетку и образу-

ется при ~ 927

С по перитектической реакции. Для соединения РuА1

(77,4 % Рu) характерно несколько аллотропических модификаций.

305

В литом состоянии сплав алюминия с 12 % Рu имеет микротвер-

дость HV = 500 МПа, временное сопротивление σ

= 160 МПа, условный пре-

дел текучести σ

0,2

= 40 МПа. Литой сплав А1–40 % Рu имеет HV = 750 МПа.

В отожженном состоянии приведенные механические свойства сплава

А1–12 % Рu ниже, чем после литья.

Легирование плутонием повышает стойкость к коррозии в перегре-

той воде: коррозионная стойкость сплава с 20 % Рu во много раз выше, чем

сплава с 5 % Рu.

Самое важное свойство данных сплавов при использовании

в каче-

стве топлива в атомных реакторах – их низкая степень распухания при вы-

горании вследствие абсорбции расщепленного газа вакансиями, содержа-

щимися в решетке соединения РuА1

Сплавы плутония с торием содержат 5–50 % (ат.) плутония. Их ис-

пользуют в реакторах как умеренно концентрированное твердое горючее.

При введении плутония в указанных концентрациях образуется α-твердый

раствор на основе тория (рис.10.5).

Рис. 10.5. Диаграмма состояния

системы Pu–Th

Сплавы, содержащие 15 % (мас.) плутония, имеют высокую стой-

кость против радиационного повреждения и являются надежным материа-

лом в атомной технике.

(ат.)

306

Сложнолегированные сплавы плутония с ураном представляют

большой интерес в качестве основы горючих материалов, так как при вве-

дении в плутониевый реактор урана-238 можно осуществить «воспроиз-

водство» нового плутония-239, что позволит продлить срок работы реак-

тора. Наибольший практический интерес имеют сплавы, содержащие

20–40 % (ат.) плутония. Согласно диаграммы состояния Pu–U (рис. 10.6)

эти сплавы состоят из β-фазы. Есть данные

о сложнолегированном сплаве

Pu–U: 69,2 % U, 20 % Pu, 4,3 % Ru, 2,8 % Mo, 2,5 % Pd, 0,7 % Re, 0,5 % Zr.

Этот сплав имеет хорошую стойкость против облучения.

Рис. 10.6. Диаграмма состояния

системы Pu–U

Торированные

катоды используют в электронных лампах, а окси-

диоториевые – в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка

0,8-1 % ThO

к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накалива-

ния. Оксид тория ThO

используют как огнеупорный материал для изго-

товления тиглей, а также как элемент сопротивления в высокотемпера-

турных печах. Торий и его соединения широко применяют в составе ка-

тализаторов окисления в органическом синтезе, для легирования магние-

вых сплавов, а также как присадочный материал при сварке молибдена с

целью повышения пластичности шва. Основное

применение тория –

ядерное горючее.

Металлический

уран используют главным образом в ядерных ре-

акторах, производящих плутоний и электроэнергию. Уран можно приме-

307

нять в качестве геттера в вакуумных трубках, электродного материала в

высоко- и низковольтных выпрямителях, источниках ультрафиолетового

излучения в электрических дугах,

233

U является источником энергии в

ядерном оружии.

Плутоний

239

Рu используют в атомных реакторах. Энергия, освобо-

ждающаяся при расщеплении одного грамма

239

Рu, эквивалентна теплоте,

выделяющейся при сгорании 4000 кг угля, т.е.

239

Рu – эффективный источ-

ник атомной энергии. Изотоп

238

Рu используют для изготовления атомных

электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Та-

кие батарейки применяют, например, в генераторах тока, стимулирующих

работу сердца [5, 18, 23, 24, 27].

Контрольные вопросы

и задания

1. Каковы структура и свойства тория?

2. Охарактеризуйте состав, структуру, свойства, обработку, приме-

нение сплавов тория.

3. Каковы структура и свойства урана?

4. Каково влияние ниобия и циркония на свойства урана?

5. Назовите области применения урана.

6. Каковы структура и свойства плутония?

7. Охарактеризуйте структуру, свойства, применение сплавов плутония.

308

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трудно представить существование современного общества без ме-

таллов и сплавов. Медь и малолегированные сплавы с высокой электропро-

водностью используют в электротехнике, давно применяют бронзы и латуни.

Медно-никелевые сплавы, имеющие высокую коррозионную стойкость, ис-

пользуют в промышленности и в быту.

Применение магниевых сплавов позволяет снизить массу деталей

машин в самолетах, вертолетах

, автомобилях и в других областях техники.

Титан предназначался прежде всего для авиакосмической техники. В на-

стоящее время его применяют в судостроении, в химическом, транспортном,

пищевом машиностроении, строительстве, медицине и других областях.

Новые области применения тугоплавких металлов связаны с авиа-

цией, ракетной техникой, с ядерной энергетикой. Редкий и дорогой металл

бериллий

применяют в авиации и ракетной технике, в конструкции под-

водных лодок и торпед. Никелевые сплавы используют прежде всего как

жаростойкие и жаропрочные материалы. Благородные металлы – это ва-

люта и ювелирные изделия, их применяют также для изготовления точных

измерительных и регулирующих приборов. Радиоактивные металлы – ядер-

ное горючее. Добавка тория к магнию способствует

получению жаропрочных

магниевых сплавов.

Большая часть данного пособия посвящена алюминию и его спла-

вам. И это не случайно, так как алюминий – важный материал в авиации и

ракетостроении. В последнее время алюминиевые сплавы находят все

большее применение в судостроении, строительстве, пищевой промыш-

ленности (фольга, лента). Изготавливают литые и штампованные диски

колес

для легковых и грузовых автомобилей, а также для мотоциклов. По-

лучают прессованные профили (ложемент багажника, топливная рампа,

подушка опоры двигателя, бампер). Разработаны предложения по исполь-

зованию в автомобилестроении пеноалюминия для звукопоглощающих

элементов и конструкций, поглощающих энергию удара. В 2005 г. в Рос-

сии был получен новый сплав 1935В на основе системы Al–Mg–Si для

из-

готовления железнодорожных вагонов.

Даже краткий обзор применения цветных металлов и сплавов по-

зволяет судить о их роли в жизни современного человека. Автор надеется,

что знания структуры и свойств цветных сплавов, а также способов воз-

действия на них, рассматриваемых в предлагаемом пособии, помогут бу-

дущим специалистам-металловедам в их профессиональной

деятельности.