Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 19 я попытался выделить основные особенности фазовых диаграмм из справочника Эллинджера и др. (1968) в надежде на то, что знание их будет служить руководством для
Number 26 2000 Los Alamos Science
319
Плутоний и его сплавы
Рис. 20. Участок диаграммы состояния плутоний-галлий со стороны плутония
(а) Диаграмма состояния Эллинджера и др. (1968), дополненная Петерсоном и Касснером (1988), показывает, что область гцк 5-фазы плутония расширяется при легировании галлием. Около 13 ат. % галлия может быть растворено в гцк 5-фазе при высокой температуре. (Отметим, что из-за различия в атомных массах элементов 1 мае. % галлия соответствует 3,4 ат. %.) При комнатной температуре предельная растворимость составляет около 9 ат. %. В данном интервале концентраций галлия сплавы в процессе затвердевания и охлаждения должны пройти через две двухфазные области: жидкость плюс в-фаза и в- плюс 5-фаза. В двухфазной области состав каждой фазы определяется фазовыми границами при данной температуре. Поэтому при температуре точки А первая порция 5-фазы, образующаяся из в-фазы, будет иметь состав, соответствующий точке В. По мере понижения температуры концентрация галлия в 5-фазе изменяется по линии BD, а концентрация галлия в в-фазе изменяется вдоль линии AC при условии, что скорость диффузии достаточно высокая, чтобы обеспечить при заданной скорости охлаждения выравнивание состава по галлию. (Разумеется, средняя концентрация галлия в сплаве должна быть равна начальной концентрации.) Поскольку скорость диффузии галлия в оцк решетке в-фазы в ~ 104 раз выше, чем в 5-фазе, концентрация галлия в 5-фазе остается выше равновесных значений для большинства скоростей охлаждения, а в в-фазе по мере охлаждения эти значения опускаются все ниже и ниже равновесных. В результате в пределах зерна 5-фазы сегрегация галлия, или дендритная ликвация, увеличивается больше, чем ожидалось для равновесных условий
Галлий (мае. %)
теоретиков и экспериментаторов. Для специалистов по плутонию этот справочник является самым важным документом. Co времени его опубликования в него были внесены лишь незначительные дополнения. Из справочника следует, что при взаимодействии с плутонием элементы периодической таблицы делятся на следующие группы: (1) стабилизаторы 6-фазы и фиксаторы 6-фазы; (2) стабилизаторы а-фазы; (3) элементы, образующие эвтектики; (4) фазы внедрения; (5) все остальные элементы, большинство из которых имеют низкую растворимость в 6-фазе, либо образуют вырожденные эвтектики перед повышением температуры ликвидуса.
Вопросы металловедения 6-фазных сплавов плутония с галлием
Теперь должно быть понятно, что для описания свойств сплавов необходимо
О 2
больше, чем химический анализ. Важное значение имеет микроструктура; она определяется химическим составом и способом обработки - термической и механической. Например, термическая и механическая обработка влияет на однородность химического состава, наличие вторых фаз или включений, их объемную долю, морфологию и распределение, а также на типы и распределение дефектов. Типичными видами механической обработки являются прокатка и ковка, которые увеличивают запасенную энергию системы в виде повышенной концентрации дефектов (в большинстве случаев это увеличение плотности дислокаций). В свою очередь, запасенная энергия может быть понижена или израсходована за счет отжигов при последующей термической обработке, что приводит к восстановлению (перераспределению или аннигиляции многих дислокаций) или рекристаллизации деформированной структуры (образова-
4 6 8 10 12 14
Галлий (ат. %)
нию новых, относительно недеформиро-ванных зерен). Более того, существуют другие внешние факторы, такие как облучение (или самооблучение в случае с плутонием), в процессе которых формируются новые дефекты и накапливается энергия. Все эти эффекты необходимо рассматривать, чтобы понимать свойства сплавов плутония.
Краткое описание термической обработки сплавов Pu с Ga начну с обсуждения области диаграммы состояния, прилегающей к плутонию (рис. 20). По данным Эллинджера и др. (1968), минимальное количество галлия, необходимое для стабилизации 6-фазы при комнатной температуре, составляет 2 ат. %. В действительности положение этой фазовой границы является очень неопределенным (граница показана штриховыми линиями), поскольку очень трудно достигнуть равновесия при этой температуре. Более 30 лет назад Эллиот и его коллеги отмечали, что для сохранения
320
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний и его сплавы
Профили распределения Ga по сечению ячеек Расчет и эксперимент
Металлография
5 10 15 20
Расстояние (мкм)
CO
О
Расстояние (мкм)
CO
О
Расстояние (мкм)
5 10 15 20
Расстояние (мкм)
6-фазы при комнатной температуре достаточно всего 1 ат. % галлия или алюминия, если образцы достаточно быстро охладить от высоких температур. Примечательно, что лишь один атом галлия в сотне атомов плутония приводит к таким значительным изменениям кристаллической структуры. С другой стороны, как отмечено в работе Хеккера и Тимофеевой (с. 246), тщательно проведенные российскими учеными исследования показали, что все 6-фазные сплавы плутония с галлием при комнатной температуре метастабильны.
