Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Влияние примесей или случайных химических добавок на фазовую стабильность гцк 6-фазных сплавов - еще один не до конца исследованный вопрос. Примеси, как правило, появляются при литье или других процессах обработки, и их содержание в металлическом плутонии колеблется от 1000 до 2000 частей на миллион (ppm) от общей массы. Очистка методом электрорафинирования снижает это значение до 500 частей на миллион, а при очень тщательной обработке был достигнут уровень в несколько де-
сятков частей на миллион (см. статью “Изготовление монокристаллов стабилизированного галлием плутония” на с. 228). В больших количествах примеси могут влиять на фазовую устойчивость, поведение при превращении, механические свойства и на весь комплекс других физических свойств. В последней работе Дэн Тома с коллегами из JIoc-Аламо-са убедительно продемонстрировали эти эффекты для урана. На сегодняшний день нет такой теории или модели, которые позволили бы объяснить роль примесей в плутонии.
С практической точки зрения влияние примесей на фазовую устойчивость лучше всего объяснить на основе классификации, использованной для легирующих элементов на рис. 19. Такие распространенные примеси, как алюминий, кремний и америций, которые стабилизируют 6-фазу, просто добавляются к концентрации галлия (в атомных процентах), чтобы получить эквивалентное содержание для Pu-Ga сплавов. Поскольку такие примеси располагаются в узлах плутониевой решетки, их невозможно обнаружить обычными методами металлографии или рентгеновской дифракции. Методика ТСРП дает некоторую надежду выявить атомы примесей, если их концентрация достаточно высока. Однако даже небольшое содержание примесей может привести к значительному ухудшению свойств, так как примеси обычно концентрируются в расплаве в процессе литья. На ранних стадиях затвердевания атомы небольших размеров, растворенные в жидком металле, выходят из расплава. Такая тенденция к образованию сегрегаций примесных элементов ведет к возникновению включений (частиц второй фазы) в микроструктуре плутония или его сплавов. На рис. 22 представлены типичные эвтектики, образованные примесями, и тугоплавкие соединения, образующие включения. Кроме того, примеси имеют тенденцию образовывать такие сложные соединения, как оксикарбиды и карбонитриды, забирая специально введенные легирующие элементы и другие примеси. Об этих эффектах в плутонии нам известно очень немного.
В заключение данного раздела позвольте еще раз напомнить о важности
322
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний и его сплавы
Рис. 22. Примеси железа и азота в плутонии
Обычно примеси сегрегируют в расплаве и образуют микроскопические включения в структуре 5-фазы. Даже при относительно небольшой концентрации примесей (порядка нескольких сотен частей на миллион по массе) могут образовываться микрометрового размера включения, как показано на рис. (а), (б). Представлена микроструктура сплавов Pu-Ga, содержащих 300-500 ppm железа. На рис. (а) включения Pu6Fe, входящие в состав низкоплавкой эвтектики и сформировавшиеся в процессе одной обработки, расположены вдоль границ зерен, в то время как другая обработка сформировала конгломераты Pu6Fe, расположенные преимущественно в стыках зерен (рис. (б)). Причины различной морфологии включений при различных условиях обработки пока не выяснены. На рис. (в) показано отдельное включение нитрида плутония в Pu-Ga сплаве, содержание азота во всем объеме которого составляет несколько сотен частей на миллион
металлургических процессов для понимания поведения сплавов плутония. Точный химический анализ является необходимым, но этого недостаточно. Знание параметров процесса является необходимым для оценки уровня сегрегации легирующих элементов и состояния примесных атомов. Кроме того, механическая обработка будет изменять микроструктуру. Эти эффекты обсуждаются Хеккером и Стивенсом на с. 338. Итак, даже если какой-либо плутониевый сплав сохраняется в гцк 6-фазе при комнатной температуре, он в лучшем случае является метастабильным и чувствительным к внешним условиям, таким как температура, давление или напряжения, приложенные другим способом. Фазовые диаграммы дают нам общее представление о фазовой стабильности, однако они не говорят о том, насколько устойчивыми будут эти сплавы при всех возможных внешних воздействиях.
Из экспериментов мы знаем, например, что плутониевые сплавы, содержащие менее 2 ат. % галлия, легко переходят в моноклинную a-фазу при температурах ниже комнатной. Выше я уже говорил, что 6-фаза легко исчезает при приложении давления в условиях комнатной температуры. Кроме того, в результате напряжений, возникающих
при резке, токарной обработке или полировке, сплавы с небольшим содержанием галлия на поверхности образцов легко превращаются в a-фазу (иногда в смесь с у-фазой). При увеличении содержания галлия растет и устойчивость к таким внешним воздействиям. Расчеты фазовой устойчивости в зависимости от концентрации твердого раствора и внешних напряжений могут быть подкреплены расчетами электронной структуры, особенно если в этих расчетах учитываются температурные эффекты. Кроме того, было бы очень полезно, если бы теоретики смогли создать другие физические модели с учетом реальных межатомных потенциалов, на основе которых можно было бы рассчитывать влияние дефектов и микроструктуры на фазовую стабильность.
