1. ISTCIPA
  2. Всі випуски
  3. Вип. 52, 2018
  4. ВПЛИВ ШВИДКОСТІ НАГРІВУ ТА ЧАСУ ВИТРИМКИ НА КІНЕТИКУ ТЕРМОДИФУЗІЙНОГО НАСИЧЕННЯ ЦИРКОНІЄВИХ СПЛАВІВ КИСНЕМ

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

ISTCIPA.
2018;
Випуск 52
: 103-113
https://doi.org/10.23939/istcipa2018.52.103
Автори:
  1. Василь Труш
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.

цирконієві сплави
окислення
кінетика насичення
кисневмісне середовище
приповерхневий шар
  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.