Алюминий и его сплавы

Железоникелевые сплавы

ХН35ВТ

(или 12ХН35ВТ)

Сортовой прокат ГОСТ 5632 ХН35ВТ-ВД

(или 12ХН35ВТ-ВД)

Никель НП2 Листы ГОСТ 492

* Материалы, применяемые только для изделий, работающих в контакте с жидким ме- таллическим теплоносителем.

1.9. Цветные металлы и сплавы оборудования АЭС

118

%). Чем меньше примесей в алюминии, чем выше его тепло- и электропро- водность, коррозионная стойкость и пластичность.

Наряду с чистым алюминием (содержание всех примесей 0,0002%) в реакторостроении широко применяются сплавы алюминия, которые можно разбить на несколько групп:

технический алюминий содержит – 0,5% примесей, в основном Fe и Si;

сплавы, легированные никелем и железом, из этих сплавов изготавли- вают оболочки ТВЭЛов, эксплуатирующихся при температуре до 200 °С;

более прочные сплавы, легированные медью, кремнием, марганцем и хромом применяют для изготовления технологических каналов.

Значительное упрочнение алюминия может быть достигнуто введением в него окисла алюминия. Изделия из таких композиций получают методами порошковой металлургии, прессованием с последующим спеканием тонко- диспергированного алюминиевого порошка. Такие композиции типа спечен- ных алюминиевых порошков (САП) содержат 8-10% окиси алюминия. Ком- позиции САП состоят из алюминиевых зерен, частично охваченных пленка- ми окисла. Керамический окисел обладает высокой твердостью и прочно- стью. Охватывая мелкие зерна алюминия, окись препятствует срастанию их в крупные и ограничивает ползучесть. Высокая прочность сплавов САП полу- чается вследствие ухудшения пластичности.

Некоторые элементы, которыми легируют алюминиевые сплавы, зна- чительно растворяются в алюминии в твердом состоянии при повышенной температуре. Растворимость их падает с уменьшением температуры. Для по- лучения структуры алюминиевого сплава в виде твердого раствора сплав нагревают до температуры, обеспечивающей полное растворение легирую- щего элемента с последующим быстрым охлаждением. При такой операции закалке – при комнатной температуре фиксируется неравновесный твердый раствор. Поскольку твердый раствор нестабилен, в результате процесса ста- рения происходит его распад. Процесс старения может быть ускорен нагре- ванием до 120-170°С в течение 4-12ч. Эта обработка называется искусствен- ным старением или дисперсионным твердением. Старение увеличивает прочностные характеристики сплавов алюминия. Для снятия наклепа сплавы алюминия отжигают при температуре 350-400°С в течение 0,5-2 ч.

Сплавы алюминия, кроме металлокерамических, достаточно пластичны и в этом смысле технологичны. Из них легко изготавливать изделия методом прессования, выдавливания. Сварка сплавов алюминия встречает некоторые трудности, однако процесс этот освоен и широко применяется при изготов- лении ТВЭЛов. Изделия из сплавов алюминия могут быть соединены пайкой или склеиванием. Благоприятные физические, механические, технологиче- ские характеристики сплавов алюминия позволяют широко применять их для изготовления оболочек ТВЭЛов и других элементов активной зоны. ТВЭЛы с оболочкой из алюминиевых сплавов применяют в исследовательских реак-

торах, реакторах для производства плутония, в экспериментальных кипящих реакторах.

К сплавам, идущим на изготовление оболочек, предъявляют требова- ния высокой пластичности. От сплавов, идущих на изготовление каналов и других конструкций активной зоны, требуется высокая прочность.

Механические характеристики алюминия и его сплавов. Чистый алю- миний очень пластичен и непрочен. Предел прочности его равен 50-60 МПа.

Небольшое количество примесей, присутствующих в техническом алюми- нии, упрочняет его. Прессованные и холоднотянутые или холоднокатаные трубы из технического алюминия после отжига при температуре 400-450°С имеют следующие механические характеристики:

Предел прочности σв , МПа 80-100;

Предел текучести σт , МПа 30-50;

Относительное удлинение δ, % 20-30.

Несколько более прочен сплав алюминия с магнием типа АМг. В отожженном виде в готовых трубах свойства его таковы:

при t=20°С t=200°С Предел прочности σв , МПа 120-150 90-100 Предел текучести σт , МПа 40-60 30-40 Относительное удлинение δ, % 25-30 45-60

С повышением температуры прочностные характеристики сплава па- дают, пластические растут. Скорость ползучести технического алюминия при температуре 100°С и напряжении 100 МПа составляет 10-2 %/ч. Такая же скорость ползучести имеет место при температуре 250°С и напряжении 10 МПа.

Материалы оболочек должны быть совместимы с ядерным топливом.

Взаимодействие между ураном и алюминием начинается при температуре 250°С При 300°С за 2000 ч в результате взаимодействия возникает интерме- таллидный слой толщиной 0,025 мм. Двуокись урана совместима с алюмини- ем до температуры 260°С, карбид и нитрид урана – до 540°С.

Радиационная стойкость алюминия и его сплавов. Вследствие низкой температуры рекристаллизации радиационные повреждения алюминия и его сплавов невелики. Имеет место повышение предела текучести и прочности при сохранении пластичности (для предварительно упрочненных материа- лов) или снижении ее до допустимого уровня, в связи с чем можно заклю- чить, что нейтронное облучение скорее улучшает, чем ухудшает механиче- ские свойства алюминия и его сплавов.

Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов. Максимальная тем- пература, при которой сплавы алюминия можно применять в водоохлаждае- мых реакторах, определяется коррозионной стойкостью сплавов. Весьма за- манчиво с экономической и ядерно-физической точек зрения использовать сплавы алюминия для изготовления оболочек ТВЭЛов и технологических каналов кипящих реакторов. Решение этой задачи затрудняется низкой кор-

120

розионной стойкостью сплавов алюминия при температуре 250-300°С в воде и пароводяной смеси. Длительная и надежная работа изделий из алюминия и его сплавов в водоохлаждаемых реакторах при температуре ниже 250°С в значительной степени определяется их коррозионной стойкостью, которая существенно зависит от качества воды, конструктивных особенностей (нали- чие щелей и зазоров, контактов с другими материалами), состава сплавов, облучения и т. д. Безаварийная работа реактора, в активной зоне которого используют алюминиевые сплавы, может быть достигнута лишь при тща- тельном учете всех приведенных вышеприведенных факторов.

Контактная коррозия. В любой конструкции всегда имеет место кон- такт разнородных материалов. При контакте с нержавеющими сталями ста- ционарный потенциал сплавов алюминия смещается в область перепассива- ции, и скорость коррозии алюминия возрастает. Лишь для некоторых сплавов при строго определенном соотношении поверхностей алюминия и нержаве- ющей стали стационарный потенциал при контакте со сталью отвечает пас- сивной области. Для снижения контактной коррозии на алюминиевых изде- лиях методом анодирования создается защитная пленка окиси алюминия.

При так называемом обычном анодировании толщина окисной пленки равна 10-20 мкм, при толстослойном – 50-100 мкм. Пленка окисла имеет в послед- нем случае черный цвет, и этот метод анодирования называют иногда чер- ным. Окисная пленка при толстослойном анодировании обладает хорошими антифрикционными свойствами. Окисные пленки после обычного анодиро- вания наполняются (пропитываются) хроматами и имеют зеленый цвет.

Для предотвращения контактной коррозии алюминия между изделием из алюминия и нержавеющей сталью вставляют сменную деталь – протектор – из сплава алюминия. Находящийся в контакте с нержавеющей сталью про- тектор разрушается, и его заменяют. В других случаях изделия из алюминия и стали разделяют деталью из сплавов циркония или титана.

В месте непосредственного контакта с бетоном развивается интенсив- ная язвенная коррозия алюминия, которая может привести к сквозному по- ражению через несколько лет эксплуатации. Наиболее эффективным спосо- бом борьбы с такого рода коррозией является нанесение на поверхность бе- тона высококачественного защитного покрытия.

Существенно увеличивает скорость коррозии сплавов алюминия кон- такт с графитом. Так, скорость коррозии сплава алюминия при контакте с графитом в химически обессоленной воде возрастает более чем в 20 раз.

Анодирование повышает в этом случае стойкость сплавов алюминия.

Щелевая коррозия. В реальных конструкциях трудно полностью избе- жать образования щелей и зазоров между однородными материалами. При контакте двух изделий из сплавов алюминия протекает щелевая коррозия, поэтому следует избегать образования щелей и зазоров в конструкциях атом- ных установок, где используются алюминий и его сплавы. Рекомендуется со- единение листов и труб алюминия производить не внахлестку, а встык и ме-

тодом сварки. При нагреве во время сварки на поверхности сплавов алюми- ния и нержавеющей стали образуются окисные пленки, которые снижают ток при работе гальванической пары алюминий – нержавеющая сталь.

Переход продуктов коррозии алюминия в теплоноситель. При корро- зии алюминия часть продуктов коррозии остается на поверхности металла в виде защитной окисной пленки или в виде отложений, а часть переходит в теплоноситель. В статических условиях в теплоноситель переходит меньше продуктов коррозии, чем в динамических. При скорости теплоносителя 3-6 м/с и температуре до 150°С в среду переходит до 50% продуктов коррозии.

При линейной зависимости изменения массы алюминия при коррозии от времени в раствор должна переходить основная масса продуктов корро- зии.

Влияние облучения на коррозионную стойкость алюминия и сплавов.

Коррозия алюминия и его сплавов контролируется поверхностной диффузи- ей. Элементарные ячейки кристаллической решетки, выходящие на поверх- ность окисла, в общем случае значительно искажены. Это связано с тем, что сама поверхность раздела является весьма серьезным дефектом кристалличе- ской решетки. В связи с этим трудно ожидать, что дефекты кристаллической решетки, образовавшиеся в результате облучения, сколько-нибудь суще- ственно скажутся на эффективности поверхностной диффузии и соответ- ственно на стойкости сплавов алюминия.

В деаэрированной среде коррозия идет с водородной деполяризацией и облучение не влияет существенно на кинетику катодного процесса. В среде, содержащей кислород, облучение увеличивает скорость катодного процесса, но стационарный потенциал алюминия остается в пассивном состоянии. При этом скорость анодного процесса не изменяется и, следовательно, облучение не должно заметно изменить коррозионную стойкость алюминия и его спла- вов.

Увеличение скорости катодного процесса под действием облучения в кислородсодержащих средах приводит к увеличению потенциала на границе алюминий-коррозионностойкая сталь, что в свою очередь, может интенси- фицировать контактную коррозию алюминия и его сплавов.

Движение теплоносителя интенсифицирует скорость коррозии алюми- ниевых сплавов. Особенно заметен этот эффект при температуре 280°С и выше. Так, для сплавов, содержащих 2,5% Ni и 0,4% Fe, при испытаниях со скоростью теплоносителя 2 м/с скорость коррозии увеличилась от 6,37 до 0,93 г/(м²·сут). При скорости воды 5-6 м/с на алюминиевых образцах фикси- руются коррозионно-эрозионные повреждения. На отдельных образцах на входе и выходе из испытательного участка глубина коррозионно-эрозионных повреждений за 2000 ч испытаний достигает 0,5-1,0 мм. Этот эффект связан, по-видимому, со смыванием с поверхности металла продуктов коррозии. В специальных экспериментах образцы сплавов алюминия выдерживали при температуре 350-400°С в воде, насыщенной продуктами коррозии алюминия, в течение недели и суток соответственно. При этом, очевидно, происходил

122

процесс, сходный со спеканием. После этого испытание при циркуляции теп- лоносителя не вызвало увеличения скорости коррозии.

Увеличение скорости потока перегретого пара также снижает стой- кость алюминиевых сплавов. С увеличением давления перегретого пара рас- тет его плотность, что, приводит к увеличению скорости коррозии сплавов алюминия.

Вибрация также существенно снижает коррозионную стойкость спла- вов алюминия.