Бериллий и его сплавы

134

жение в металле. В связи с этим присутствие гидридов не должно сказаться на ресурсе работы оборудования, изготовленного из сплавов циркония.

Присутствие в среде хлоридов и особенно фторидов в количестве более 0,05 мг/кг снижает стойкость сплавов циркония. Коррозионная стойкость сварных соединений на сплавах циркония увеличивается термомеханической обработкой. Стойкость изделий из сплавов циркония возрастает после трав- ления их в смеси азотной и фтористоводородной кислот.

В процессе облучения в кристаллической решетке циркония и его сплавов образуются радиационные дефекты. Последнее обстоятельство при- водит к увеличению энергии кристаллической решетки и интенсификации диффузии кислорода, что увеличивает скорость коррозии. Тепловой поток 4,18·10⁶ кДж/(м²·ч) интенсифицирует коррозию сплавов циркония.

В ряде случаев детали из сплавов циркония в процессе эксплуатации в результате вибрации периодически контактируют друг с другом или с изде- лиями из нержавеющей стали. При этом может нарушаться целостность за- щитной окисной пленки на поверхности сплавов циркония. Периодический контакт с нержавеющей сталью может препятствовать восстановлению окис- ной пленки. Коррозия (фреттинг-коррозия) при этом интенсифицируется.

Бериллий имеет малое сечение поглощения тепловых нейтронов. Соче- тание малого сечения поглощения с высоким рассеянием и большим числом атомов в 1 см³ делает бериллий превосходным замедлителем и отражателем в реакторах; его применение приводит к уменьшению критической загрузки горючего. Однако перспектива широкого применения бериллия ограничена рядом обстоятельств. Бериллий принадлежит к очень редким и дорогим ме- таллам. Стоимость его почти в сто раз выше стоимости алюминия, магния, стали. Бериллий хрупок. Облучение вызывает охрупчивание и распухание.

Изготовление из него тонкостенных оболочек ТВЭЛов и особенно их герме- тизация крайне затруднительны. Положительными свойствами бериллия яв- ляются малая плотность, относительно высокая температура плавления, не- большой коэффициент теплового расширения. До температуры 1240°С бе- риллий не претерпевает аллотропических превращений и кристаллизуется в ГПУ-решетке. Отсутствие структурных превращений в широком диапазоне температуры делает бериллий нечувствительным к циклическим изменениям температуры. Бериллий и его соединения очень токсичны. Металлический бериллий получают магнийтермическим восстановлением окисла бериллия или электролизом.

Изделия из бериллия изготовляют на основе металлокерамической тех- нологии. Из порошков горячим прессованием получают заготовки, из кото- рых методами выдавливания, горячей прокатки, ротационной ковки изготов- ляют прутки, трубы, листы и другие профили.

Механические характеристики. Механические свойства бериллия, осо- бенно его пластичность, существенно зависят от температуры (рис. 1.21).

Имеет место резкий спад пластичности при уменьшении температуры ниже 300-200°С ‒ так называемый порог хладноломкости. Температура этого порога может быть смещена на 50-100°С к более низкой температуре в ре- зультате очистки бериллия от примесей и главным образом измельчения зер- на. Однако никакими приемами не удается сдвинуть порог хладноломкости квазиизотропного поликристаллического бериллия ниже комнатной темпера- туры, т. е. получить бериллий, пластичный при комнатной температуре. Дли- тельным отжигом при температуре 750-850°С и очень медленным охлажде- нием можно устранить падение пластичности при 600-800°С. Указанная тер- мическая обработка приводит к выделению интерметаллидов бериллия по границам зерен.

136 Рис. 1.21. Предел прочности σв и удлинение δ горячепрессованного бериллия в

зависимости от температуры (размер зерна 50 мкм)

При выдавливании бериллия базисные плоскости гексагональной ре- шетки ориентируются параллельно направлению выдавливания. Такая тек- стура вызывает резкую анизотропию свойств бериллия. Вдоль оси выдавли- вания пластичность бериллия возрастает, а в поперечном направлении пада- ет. Ударным выдавливанием из литых заготовок можно изготовить трубки из бериллия. После рекристаллизационного отжига на мелкое зерно трубки имеют высокую продольную и достаточную (1-2%) поперечную пластич- ность. Легирование бериллия кальцием в количестве 0,4% несколько улуч- шает свойства труб.

Вследствие низкой пластичности детали и узлы замедлителей и отра- жателей не рассчитаны на значительные нагрузки. Снижение пластичности бериллия при облучении не столь опасно.

Радиационная стойкость. В бериллии под действием облучения проте- кают ядерные реакции с образованием газообразных продуктов:

6 ;

4

9Ben He He ⁹He⁶Li^; ⁶Lin⁴He³H; (1.10) Гелий и тритий могут скапливаться в порах, образовывать газовые пу- зыри, вызывающие газовое распухание. Внедрение гелия и трития в кристал- лическую решетку бериллия снижает его пластичность. Изменение свойств бериллия в результате облучения представлено в табл. 1.38 Облучение уве- личивает прочность и ухудшает пластичность бериллия.

Таблица 1.38. Влияние облучения при 430°С на механические свойства бериллия (флюенс быстрых нейтронов 10²¹ см^-2)

Температура испытания облу- ченных и исход-

т, МПа , %

исходные облученные исходные облученные

ных образцов, °С

25 340 670 3 0

200 300 560 35 5

300 270 440 45 26

430 190 350 40 25

600 130 190 17 5

При флюенсе нейтронов 10²⁰ см^-2 и температуре облучения 700-750°С газовое распухание невелико и не превышает 1-2%. При температуре 800- 900°С газовое распухание составляет 3-5%. При указанном флюенсе нейтро- нов бериллий может применяться в отражателях и замедлителях до темпера- туры 700-800°С.

Совместимость. При наличии окисной пленки на уране и бериллии эти металлы совместимы до 600°С. При нарушении сплошности окисной пленки на бериллии он совместим с ураном до температуры 500°С. При 500°С бе- риллий несовместим с Fe, Ni, Zr и совместим с Al, Mg.

Коррозионная стойкость. Нормальный потенциал бериллия равен 1,85 В. Стационарный потенциал бериллия составляет 0,8 В. Это свидетельствует о способности бериллия пассироваться. В нейтральных средах, не содержа- щих хлоридов и сульфатов, бериллий пассируется в широком интервале по- тенциалов. В воде высокой чистоты бериллий стоек. Продукт коррозии бе- риллия ‒ окись бериллия (белого цвета), очень рельефно выглядят на поверх- ности металла, в результате чего может создаваться впечатление, что берил- лий подвергся интенсивной коррозии. При движении воды продукт коррозии смывается с поверхности, и создается впечатление, что поток воды суще- ственно увеличивает стойкость бериллия. В воде высокой чистоты бериллий стоек до температуры 150-200°С. При этой температуре на поверхности ме- талла образуется темная окисная пленка. При 300°С стойкость бериллия снижается и существенно зависит от качества металла. При этом имеет место язвенная коррозия. Легирование бериллия железом несколько повышает его стойкость. При использовании бериллия при температуре воды 300-350°С его очехловывают сплавами циркония. Присутствие в воде хлоридов и сульфа- тов, а также увеличение рН среды до 10-12 резко снижают стойкость берил- лия. Контакт с алюминием практически не сказывается на стойкости берил- лия, контакт с нержавеющей сталью несколько снижает ее. При циклическом изменении температуры в воде высокой чистоты бериллий подвергается кор- розии под напряжением. Создание на поверхности бериллия окисных пленок методом анодирования увеличивает его стойкость.

При давлении в несколько десятков МПа бериллий стоек в сухом кис- лороде до 650°С, в водяном паре и влажном кислороде до 600°С, в углекис- лом газе до 700°С. При температуре 500°С бериллий стоек в натрии, содер- жащем до 0,01 % О2. При 550°С бериллий стоек в литии и в эвтектике Pb-Bi.

Окись бериллия. Окись бериллия может применяться в качестве отра- жателя. Температура плавления ее велика, 2550°С. Окись бериллия ‒ хоро- ший изолятор. Как и у большинства керамических материалов, предел проч-

138

ности при сжатии окиси бериллия в несколько раз больше, чем при растяже- нии. Относительно высокая теплопроводность способствует повышению ее термостойкости. Изделия из окиси бериллия изготовляют методом прессова- ния, выдавливания, литья. Распиливание необожженной окиси бериллия осуществляется смоченными абразивными кругами, спеченной окиси берил- лия ‒ алмазными кругами. Окись бериллия стойка в воде при 300-350°С, не взаимодействует с воздухом, углекислым газом до температуры 500-600°С.

Недостаточно плотная окись бериллия при 600°С пропитывается натрием и разрушается. Под действием нейтронного облучения может иметь место га- зовое распухание и растрескивание окиси бериллия, обусловленное накопле- нием гелия и трития. Окись бериллия используют в исследовательских реак- торах в качестве замедлителя и отражателя.

Сплавы бериллия. Главная сложность при легировании бериллия со- стоит в малых размерах его атомов, в результате чего большинство элемен- тов при растворении сильно искажают кристаллическую решетку, сообщая сплаву повышенную хрупкость. Легирование возможно лишь теми элемен- тами, которые образуют с бериллием механические смеси с минимальной взаимной растворимостью.

Повышение коррозионной стойкости бериллия в CO2 и паре при повы- шенных температурах достигается при введении 0,25-0,95% кальция.

Для улучшения механических свойств этого сплава дополнительно вводят 0,1-2% циркония, ниобия или титана. Коррозионная стойкость в су- хом и влажном CO2 при повышенных температурах и давлениях до 6 МПа достигается введением в бериллий небольших количеств магния. Коррозион- ная стойкость бериллия в воде при температуре 300°С и выше сильно колеб- лется в зависимости от химического состава и технологии изготовления, и часто наблюдают резкое увеличение скорости коррозии, приводящей к раз- рушению.

Серьезный недостаток бериллия, заключающийся в низкой ударной вязкости и хладноломкости, может быть преодолен использованием сплавов с алюминием. В таких сплавах эвтектического типа твердые частицы берил- лия равномерно распределены в пластичной алюминиевой матрице. Сплавы содержат 24-43 % алюминия, остальное ‒ бериллий. Фирмой «Локхид»

(США) разработан сплав, содержащий 62 % бериллия, названный «локелло- ем». Сплавы Be-Al имеют структуру, состоящую из мягкой пластичной эв- тектики и твердых хрупких включений первичного бериллия. Эти сплавы со- четают высокую жесткость, прочность и малую плотность, характерные для бериллия, с пластичностью алюминия. Благодаря пластичности матрицы снижается концентрация напряжений у частиц бериллиевой фазы и уменьша- ется опасность образования трещин, что позволяет использовать сплавы в условиях более сложного напряженного состояния.

Для получения бериллиево-алюминиевых сплавов также используют методы порошковой металлургии. Деформацию осуществляют выдавливани-

ем с последующей ковкой и штамповкой в оболочках. Механические свой- ства труб из локеллоя (Be+38%Al) при комнатной температуре: σв = 600 МПа, σ0,2= 570 МПа, δ = 1 %.

Для увеличения прочности сплавы Be-Al дополнительно легируют магнием и серебром ‒ элементами, растворимыми в алюминиевой фазе. В этом случае матрица представляет собой более прочный и вязкий сплав Al- Mg или Al-Ag.

Пластичную матрицу можно получить, используя композицию Be-Ag, содержащую до 60 % серебра. Сплавы с серебром дополнительно легируют литием и лантаном.

За исключением сплавов с пластичной матрицей, легирование другими элементами не устраняет хладноломкость бериллия. Максимальную пла- стичность имеет бериллий высокой чистоты.

Широкое распространение получили сплавы меди с 2-5 % бериллия, так называемые бериллиевые бронзы. В России широко применяется берил- лиевая бронза БрБ2 с 2 % Be. После закалки свойства бериллиевой бронзы БрБ2: σв=500 МПа, δ=30%, после старения ‒ σв = 1200 МПа, δ = 4 %.

Бериллиевые бронзы обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пружин, сохраняющих упругость в широком интервале температур, в том числе в криогенных условиях. Они хорошо со- противляются усталости и коррозии.

Бериллиевые бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изго- тавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах ‒ шахтах, га- зовых заводах, где нельзя использовать обычные стали.

Литейные бериллиевые сплавы, используют для деталей корпусов ос- нований, рам, кронштейнов и др. Бериллиевые сплавы характеризуются вы- сокими значениями теплоемкости, которые в 1,6 раза выше, чем у сплавов алюминия. Теплопроводность и температуропроводность сплавов лишь не- значительно уступает литейным алюминиевым сплавам.

Совокупность теплофизических характеристик бериллиевых сплавов в целом выгодно отличает их от других материалов (например, силуминов) и определяет высокую размерную стабильность в условиях возникновения температурных градиентов при эксплуатации изделий. Коррозионная стой- кость бериллиевых сплавов находится на высоком уровне. Анодная оксиди- рованная пленка на поверхности и лакокрасочные покрытия дополнительно обеспечивают надежную защиту сплавов ЛБС от коррозии.

В настоящее время ведутся большие работы по созданию бериллиевых сплавов и разработке надежной технологии получения конструкционных из- делий для ТВЭЛов и сборок из них; отрабатываются технологические опера- ции по сварке и пайке и другие виды операций. Но широкое использование бериллия пока задерживается из-за высокой стоимости, низкой пластичности и сильной токсичности.

140