ЦИРКОНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

ЦИРКОНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, сплавы на основе циркония. До нач. 50-х гг. 20 в. Ц. с. изучались мало и практически не применялись, а полученная в то время информация об их свойствах во мн. случаях была недостоверной, вследствие использования для исследовании недостаточно чистого циркония и несовершенных методов приготовления сплавов. Положение резко изменилось, когда в нач. 50-х гг. удалось получить цирконий, очищенный от примеси гафния, и было обнаружено, что такой металл имеет малое поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов.

Механические свойства циркониевых сплавов

Сплав

Полуфабрикат (состояние)

При 20 °С

При 300 °С

предел прочности 

относительное удлинение 8,%

предел прочности

относительное удлинение

6, %

Мн/м²

кгс/мм²

Мн/м²

кгс/мм^г

Циркалой-2

Листы (отожжённые)

480

48

22

200

20

35

Zr2,5Nb

То же

450

45

25

300

30

23

Циркалой-2

Трубы (холоднокатаные)

690

69

22

400

40

19

Zr2,5Nb

То же

790

79

27

560

56

23

Это позволило рассматривать цирконий (при наличии других благоприятных свойств) как весьма перспективный материал для конструкций энергетических ядерных реакторов на тепловых нейтронах. Однако, как показали первые исследования, использовать для этой цели нелегированный цирконий не представлялось возможным в первую очередь из-за нестабильной коррозионной стойкости его в нагретой воде. Это обстоятельство стимулировало начало интенсивных исследований Ц. с., в результате чего были разработаны пром. сплавы, нашедшие широкое применение в ядерной энергетике. Ц. с. используются для элементов конструкции активной зоны ядерных реакторов на тепловых нейтронах -оболочки тепловыделяющих элементов (твэлов), каналы, кассеты, дистанционные решётки и др. Наибольшее применение Ц. с. получили в реакторах с пароводяным теплоносителем. Ц. с. наряду с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов обладают высокой и стабильной коррозионной стойкостью в воде и паре высоких параметров и в других агрессивных средах, хорошей пластичностью и удовлетворит, прочностными характеристиками. К легирующим элементам Ц. с. предъявляется комплекс требований: одни из них должны значительно ослаблять (подавлять) вредное влияние азота на коррозионную стойкость циркония (при допустимом содержании азота в сплавах менее 0,01%), другие - ощутимо не увеличивать поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов, не снижать радиац. стойкость, повышать прочностные характеристики и при этом существенно не уменьшать пластичность (сплавы должны быть пригодны для изготовления из них особо тонкостенных труб и листов, обладать хорошей свариваемостью). Поэтому выбор легирующих добавок ограничен сравнительно небольшим числом элементов при невысоком содержании их в сплавах. Для легирования используются Nb, Sn, Fe, Cr, Ni, Си и Mo, к-рые вводятся в количествах от долей процента до 2-3% (в сумме). Из большого числа исследованных Ц. с. практич. применение нашли лишь немногие. За рубежом наибольшее распространение получил амер. сплав циркалой-2 (1,5% Sn, 0,1% Fe, 0,1% Cr, 0,05% Ni и не более 0,01% N). Используется также сплав циркалой-4 (отличается от циркалоя-2 пониж. содержанием никеля- 0,007%). Сплав циркалой-2 специально разрабатывался и был сначала использован для оболочек твэлов реактора первой американской атомной подводной лодки "Наутилус", затем нашёл применение во многих энергетич. реакторах атомных станций для твэлов и каналов, работающих в воде и пароводяных смесях с темп-рой 250-300 °С. В СССР разработаны и применяются оригинальные сплавы, не содержащие олова, - ZrlNb и Zr2,5Nb (соответственно с 1 и 2,5% Nb). Сплав ZrlNb впервые был применён для твэлов реактора атомного ледокола "Ленин", а сплав Zr2,5Nb - для кассет реактора Ново-Воронежской АЭС. В сер. 70-х гг. сплавы ZrlNb и Zr2,5Nb используются для оболочек твэлов, кассет и каналов реакторов большинства атомных электростанций СССР и социалистич. стран. Кроме того, сплав Zr2,5Nb применён в ряде реакторов в Канаде. По коррозионной стойкости сплав Zr2,5Nb сопоставим со сплавами типа циркалой, однако он имеет меньшую склонность к наводорожива-нию, не подвержен снижению сопротивления коррозии под облучением и обладает большей прочностью, в частности более высоким сопротивлением ползучести. Несмотря на высокую темп-ру плавления циркония (1852 °С), его известные сплавы не отличаются высокой жаропрочностью и практически пригодны для работы в пароводяных средах при темп-pax не выше 400 °С. При более высоких темп-pax наряду со снижением прочности Ц. с. происходит сильное окисление их с растворением кислорода, приводящее к потере пластичности и наводо-роживанию, к-рое вызывает охрупчива-ние в результате образования гидридов. Механич. свойства Ц. с. типа циркалой и цирконий-ниобиевых сплавов по уровню прочности и пластичности (при крат-коврем. испытаниях) одного порядка (см. табл.) и зависят, как и для других метал-лич. материалов, от структурного состояния, обусловленного термической и деформационной обработкой.

Ц. с. выплавляют в дуговых вакуумных печах с расходуемым электродом и электроннолучевых печах. Используется цирконий т. н. ядерной чистоты (значительно очищенный от гафния и др. примесей с большим поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов). Полуфабрикаты из Ц. с. изготовляются на обычном оборудовании, применяемом для многих цветных металлов. Отжиг проводится в вакуумных печах. Если в ядерной энергетике Ц. с. получили широкое распространение, то в др. областях техники они практически не нашли применения; в частности, как конструкционный и коррозионностойкий материал они уступают более прочным, лёгким и дешёвым титановым сплавам.

Лит.: Металлургия циркония, пер. с англ., М., 1959; Труды второй Международной конференции по мирному использованию атомной энергии, Женева, 1958. Доклады советских ученых, т. 3, М., 1959, с. 486;

Ривкин Е. Ю., Родченков Б. С.Филатов В. И., Прочность сплавов циркония, М., 1974; Дуглас Д., Металловедение циркония, пер. с англ., М., 1975 (лит.).

А. А. Киселёв.