ВПЛИВ ШВИДКОСТІ НАГРІВУ ТА ЧАСУ ВИТРИМКИ НА КІНЕТИКУ ТЕРМОДИФУЗІЙНОГО НАСИЧЕННЯ ЦИРКОНІЄВИХ СПЛАВІВ КИСНЕМ

Автори:
1
Фізико-механічний інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України

Мета. Вивчення кінетики окислення цирконієвого сплаву Zr-1%Nb та Zr під час нагрівання на повітрі в залежності від швидкості нагріву та часу витримки. Методика. Матеріалом досліджень обрано цирконієвий сплав Zr-1%Nb та цирконій вакуумного переплаву. Для термічної обробку використовували лабораторну електропіч SNOL30/1300. Швидкість нагрівання змінювали в інтервалі від 2,5°С/хв. до 20°С/хв., а охолоджували разом з піччю. При охолодженні зразків до температури 270°С в камеру печі напускали повітря для утворення тонкої оксидної плівки, яка запобігає наводнюванню металу за атмосферних умов. Зразки перед термообробкою ретельно промивали в ацетоні та спирті, а потім висушували. Результати. У роботі встановлено, що під час окислення на повітрі, збільшення швидкості нагрівання від 2,5°С/хв. до 6,0 та 7,5°С/хв. зменшує енергію активації процесу окислення Zr з 70,2 до 67,0; 52,7 кДж/моль відповідно. Тоді як для цирконієвого сплаву Zr-1%Nb збільшення швидкості нагрівання з 5°С/хв. до 10; 20°С/хв. спричинює зростання енергії активації процесу окислення цирконієвого сплаву Zr-1%Nb з 65 кДж/моль до 70,1; 78,5 кДж/моль відповідно. Наукова новизна. Вперше експериментально досліджено та аналітично описано відмінності кінетики окислення цирконієвого сплаву Zr-1%Nb та Zr під час нагрівання на повітрі в залежності від швидкості нагріву та часу витримки. Показано, що збільшення швидкості нагріву цирконію вакуумного переплаву Zr з 2,5 до 7,5°С/хв, а сплаву Zr-1%Nb з 5 до 20°С/хв зумовлює зменшення розміру оксидної плівки ZrO2. Встановлено, що підвищення температур із 750°С до 800°С за витримки 5 год призводить до зміни функції окислення з параболічної до квазілінійної. Практична значущість. Встановлені закономірності насичення цирконієвих сплавів можуть бути використані при виборі режимів обробки готових виробів з сплавів на основі цирконію.

  1. Займовский A.C. Циркониевые сплавы в атомной энергетике / A.C. Займовский, A.B. Никулина, Н.Г Решетников. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 232 с.
  2. Черняева Т. П. Кислород в цирконии: Обзор по материалам отечеств. и зарубеж. печати за 1955-1999 гг. / Т. П. Черняева, А. И. Стукалов, В. М. Грицина; Науч.-техн. комплекс «Ядер. топлив. цикл» ННЦ ХФТИ. – Х., 1999. – 111 с.
  3. Tsuji T. Study on order-disorder transition of Zr-O alloys (O/Zr=0-0.31) by heat capacity measurement / T. Tsuji, M. Amaya // J. Nucl Mater. – 1995. – Vol. 223, No 1. – P. 33-39.
  4. Sreedharan O.M. Oxygen potentials in alkali metals and oxygen distribution coefficients between alkali and structural metals - an assessment / O.M. Sreedharan, J.B. Gnanamoorthy // J. Nucl. Mater. – 1980. – Vol. 89, No 1. – P. 113-128.
  5. Smith D.L. Influence of nonmetallic impurity elements on the compatibility of liquid lithium with potential CTR containment materials / D.L. Smith, K. Natesan // Nuclear Technology. – 1974 (June.). – Vol. 22. – P. 392-404.
  6. Гольдшмидт X. Дж. Сплавы внедрения. Выпуск II. – М.:Мир, 1971.
  7. Chevalier P.Y. Thermodynamic modeling of the O-U-Zr system / P.Y. Chevalier, E. Fischer // J. Nucl. Mater. – 1998. – Vol. 257, No 3. – P. 213-255.
  8. Harward P.J. Determination of β/β+γ eutectoid transition temperature in ZrO2-x at variable heating/cooling rates / P.J. Harward, I.M. George // J. Nucl. Mater. – 1999. –Vol. 265, No 1-2. – P. 65-68.
  9. Harward P.J. Dissolution of ZrO2 in molten Zircaloy-4 / P.J. Harward, I.M. George // J. Nucl. Mater. – 1999. – Vol. 265, No 1-2. – P. 69-77.
  10. Уэллс А. Структурная неорганическая химия. В 3х томах. Т.2. – М.: Мир, 1987. – 696 с.
  11. Корнилов И.И. Влияние кислорода на свойства циркония при повышенных температурах / И.И. Корнилов, В.В. Глазова, Е.М. Кенина // Атомная энергия. – 1969. – Т. 26. № 4. – С. 324-327.
  12. Hood G.M. Point defect diffusion in α–Zr / G.M. Hood // J. Nucl. Mater. – 1988. – Vol. 159. Compl. – P. 149-175.
  13. Oxidation kinetics of Zircaloy-2 between 450°C and 600°C in oxidizing atmosphere / Arama T., Moriyama K., Gaja N., Fumy a H., Idemitsu K., Inagaki Y. // J. Nucl. Mater. – 1998. – Vol. 257, No 1. – P. 67-77.
  14. Boureau G. High temperature thermodynamics of solutions of oxygen in zirconium and hafnium / G. Boureau, P. Gerdanian // J. Phys. Chem. Solids. – 1984. – Vol. 45, No 2. – P. 141-145.
  15. Chevalier P.Y. Thermodynamic modeling of the O-U-Zr system / P.Y. Chevalier, E. Fischer // J. Nucl. Mater. – 1998. – Vol. 257, No 3. – P. 213-255.
  16. Komarek K.L. Thermodynamic properties of zirconium-oxygen, titanium-oxygen and hafnium -oxygen alloys / K.L. Komarek, M. Silver // Proc. Int. Conf. Thermodynamics of Nuclear Materials. – Vienna: IAEA, 1962. – P. 749-774.
  17. Olander D.L. Thermodynamics of U-O and Zr - systems and application to analysis of fuel liquefaction during severe accidents in light water reactors / D.L. Olander, W.-E. Wang // J. Nucl. Mater. – 1997. – Vol. 247. Compl. – P. 258-264.
  18. Ganduglia-Pirovano M. Oxygen vacancies in transition metal and rare earth oxides: Current state of understanding and remaining challenges / M. Verónica Ganduglia-Pirovano, Alexander Hofmann, Joachim Sauer // Surface Science Reports. – 2007. – Vol. 62. – P. 219-270.
  19. Hood G.M. Point defect diffusion in α-Zr / G.M. Hood // J. Nucl. Mater. – 1988. – Vol. 159. – P. 149-175.
  20. Ritchie I.G. The diffusion of oxygen in alpha-zirconium / I.G. Ritchie, A. Atrens // J. Nucl. Mater. – 1977. – Vol. 67, No 3. – P. 254-264.
  21. Oxygen diffusion in α-Zr single crystals / Hood G.M., Zou H., Herbert S., Shultz R.J., Nakajima H., Jackman J.A. // J. Nucl. Mater. – 1991. – Vol. 210, No 1-2. – P. 1-5.
  22. Perkins R.A. The diffusion of oxygen stabilized cc-zirconium and Zircaloy-4 / R.A. Perkins // J. Nucl. Mater. – 1978. – Vol. 73, No 1. – P. 20-29.
  23. Дуглас Д. Металловедение циркония / Д. Дуглас. Пер. с англ. Под ред. чл.-корр. АН СССР А. С. Займовского. – М.: Атомиздат, 1975. – 360 с.
  24. Физика. Обработка результатов измерений и составление отчета: Метод. указ. / Сост. В.И. Барсуков. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. – 32 с.
  25. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник, 2-е издание, исправленное и дополненное / М. Н. Степнов, А. В. Шаврин. – М.: Машиностроение, 2005. – 399 с.
  26. Константы взаимодействия металлов с газами: справ. изд. / Коган Я. Д., Колачев Б. А., Левинский Ю. В. и др. – М.: Металлургия, 1987. – 368 с.