Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

252 Г л . 8. Материалы активной зоны

ржавеющей сталью. В этом случае происходит анодная поля­ ризация алюминия. В присутствии хлоридов анодная поляри­ зация приводит к возникновению отрицательного разностного эффекта (дифференцэффекта). При этом нарушается пассиви­ рующая пленка и резко увеличивается скорость коррозии алю­ миния. Присутствие кислорода в среде интенсифицирует катод­

области или увеличивается до значений, отвечающих области пассивации. В первом случае увеличение содержания кислоро­ да интенсифицирует, а во втором — снижает коррозию сплавов алюминия. Сульфат-ион при высокой температуре депассивирует алюминий и увеличивает скорость его коррозіи».

Присутствие в воде продуктов коррозии меди в виде ионов меди снижает стойкость алюминия. Медь осаждается на по­ верхности алюминия. Образовавшаяся гальваническая пара интенсифицирует коррозию алюминия. Для удаления ионов ме­ ди из среды применяют фильтры, наполненные алюминиевой стружкой. Ионы меди осаждаются на алюминиевой стружке, а не на алюминиевых деталях. Вредно отражается на стойко­

элементов происходит местное подщелачивание среды со всем» вытекающими отсюда последствиями.

Скорость коррозии сплавов алюминия может быть снижена введением в среду ингибиторов. Об ингибирующем действии фосфатов говорилось выше. Ингибиторами коррозии сплавов алюминия являются кремниевая кислота, хроматы.

Контактная и щелевая коррозия. В любой конструкции всег­ да имеются щели и зазоры, в которых скапливаются продукты коррозии. В результате реакции гидролиза pH среды сни­ жается, что приводит к интенсификации коррозии сплавов алю­ миния. При контакте с нержавеющими сталями стационарный потенциал сплавов алюминия смещается в область перепассивации и скорость коррозии алюминия возрастает. Лишь для некоторых сплавов при строго определенном соотношении по­ верхностей алюминия и нержавеющей стали стационарный по­ тенциал при контакте со сталью отвечает пассивной области. Для снижения контактной и щелевой коррозии на алюминие­ вых изделиях методом анодирования создается защитная плен­ ка окиси алюминия. При так называемом обычном анодирова­ нии толщина окисной пленки 10—20 мкм, при толстослойном — 50—100 мкм. Пленка окисла имеет в последнем случае черный

Окисная пленка при толстослойном анодировании обладает хо­ рошими антифрикционными свойствами. Окисные пленки пос­ ле обычного анодирования наполняются (пропитываются) хроматами и имеют зеленый цвет.

Для предотвращения контактной коррозии алюминия меж­ ду изделием из алюминия и нержавеющей сталью вставляют сменную деталь — протектор — из сплава алюминия. В этом случае коррозии подвержен находящийся в контакте с нержа­ веющей сталью протектор, который при необходимости может

В контурах, состоящих из сплавов алюминия и нержавею­ щей стали, отмечена зависимость скорости коррозии сплавов алюминия от соотношения площадей этих материалов, сопри­ касающихся с водой. Чем выше отношение площадей нержа­ веющей стали и сплавов алюминия, тем больше скорость кор­ розии последних. Причины этого явления до конца неясны. С увеличением скорости потока воды и интенсивности тепло­ вого потока скорость коррозии сплавов алюминия возрастает..

Влияние облучения. Рассмотрим влияние реакторного излу­ чения на коррозионную стойкость алюминия и его сплавов. В реакторостроении алюминий и его сплавы эксплуатируются в условиях, когда они находятся в пассивном состоянии. При­ сутствие в воде окислительных продуктов радиолиза в этом случае не скажется на стойкости металла. Скорость катодногопроцесса и стационарный потенциал возрастут, однако измене­ ние стационарного потенциала в пределах пассивной области не приведет к интенсификации коррозии. Возрастание прово­ димости окисной пленки под облучением может привести к. увеличению ее толщины.

Нарушение сплошности фазовой . окисной пленки, образо­ вавшейся при высокой температуре вследствие деструктирующего эффекта и фотоэффекта, может несколько увеличить ско­ рость коррозии алюминия и его сплавов в воде высокой чисто­ ты при нейтральном значении pH. В этой среде алюминий спо­ собен пассивироваться и нарушения в пленке «залечиваются».. Так, в воде высокой чистоты при температуре 190° облучение в потоке тепловых нейтронов с плотностью ІО12 нейтрон!(см2Х. Хсек) увеличивает скорость коррозии сплавов типа Х8001 ц А288 в полтора раза. Однако и в условиях облучения эти спла­ вы обладают высокой коррозионной стойкостью. Скорость кор­ розии их в этих условиях 0,035—0,043 г/(м2-сутки). Сплав. 6061 стоек лишь до температуры 200°. Поэтому облучение бо­ лее существенно сказывается на его стойкости, увеличивая скорость коррозии в 2—3 раза. В средах, содержащих хлориды,.

254 Г л. 8. Материалы активной зоны

нарушение целостности окисной пленки вследствие деструктирующего эффекта приводит к интенсификации коррозии, по­ скольку хлориды препятствуют пассивации алюминия.

Заметное увеличение скорости коррозии алюминия при об­ лучении вследствие деструктирующего и радиационного эф­ фекта может наблюдаться на сплавах алюминия, легирован­ ных железом, никелем, медью при температуре, близкой к ком­ натной. Без облучения в таких условиях стационарный потен­ циал близок к значению —0,6 в. При периодическом действии облучения скорость анодного процесса вначале возрастает, а в случае прекращения облучения скорость анодного процесса возвращается в исходное состояние, отвечающее пассивации. При длительном облучении в области потенциалов положительнее —0,6 в скорость анодного процесса, увеличившаяся при облучении, не снижается п после прекращения облучения. Можно полагать, что деструктирующнй эффект сказывается особенно сильно на тонких пассивирующих пленках. Кроме то­

щается в положительную сторону за пределы пассивной обла­ сти. В целом облучение интенсифицирует коррозию алюминия в условиях, когда может быть нарушено пассивное состояние.

Межкристаллитная коррозия. Ряд сплавов алюминия под­ вержен особому виду разрушения — межкристаллитной корро­ зии. При низкой температуре в средах, содержащих хлориды, сплавы алюминия, легированные медью, подвергаются этому виду разрушения. Расположенный по границам зерен интерметаллид CUAI2 растворяется с более высокой скоростью, чем твердый раствор меди в алюминии. При растворении интерметаллида в раствор переходит практически один алюминий. Медь в виде красноватой губки остается на месте растворения интерметаллида. Являясь локальным катодом, медь интенсифи­ цирует дальнейшее растворение интерметаллида, являющегося анодом. У локальных катодов происходит подщелачивание сре­ ды, способствующее разрушению защитной окисной пленки. Защитные свойства окисных пленок на границе зерен могут снизиться из-за скопления на этих участках дислокаций. Сни­ жение интенсивности межкристаллитной коррозии достигается уменьшением сплошности выделения интерметаллидов по гра­ ницам зерен путем легирования, термической обработки, де­ формации.

Межкристаллитной коррозии подвергается также алюминий высокой чистоты в воде при температуре выше 100°. Границы

зерен даже в очень чистом алюминии содержат больше приме­ сей, чем центр зерна. В межкрнсталлитных переходных зонах вследствие межкристаллитной адсорбции содержание примесей возрастает. Скорость катодного процесса на примесных атомах (Fe, Ni, Cu) возрастает, что и приводит к увеличению потенциа­ ла участков зерна, прилегающих к границам. При высокой температуре чистый алюминий при стационарном потенциале находится в активном состоянии. Увеличение потенциала ме­ талла вблизи границ зерен приводит в этом случае к ускорен­ ному разрушению пограничных участков зерна, т. е. к меж­ кристаллитной коррозии. Значительное смещение потенциалов до значений, отвечающих пассивной области, вследствие анод­ ной поляризации или за счет легирования элементами с малым перенапряжением водорода предотвращает развитие меж­ кристаллитной коррозии. В соответствии с изложенным не должны подвергаться межкристаллитной коррозии и моно­ кристаллы алюминия высокой чистоты. Монокристалл чистого алюминия в отличие от поликристалла не подвергается меж­ кристаллитной коррозии в воде при температуре до 220°С. Пластическая деформация, нарушающая непрерывность меж­ зернового вещества, обогащенного примесями, повышает стой­ кость алюминия, загрязненного железом и никелем, против межкристаллитной коррозии.

Коррозионное растрескивание. Ряд сплавов алюминия, леги­ рованных магнием, медью, цинком, при совместном воздей­ ствии агрессивной коррозионной среды и механических напря­ жений подвергаются особому виду разрушения, называемому коррозионным растрескиванием или коррозией под напряже­ нием. Этот вид разрушения наблюдается обычно в средах, содержащих хлориды. Коррозионное растрескивание сплавов алюминия, легированных магнием, связывается с выпадением по границам зерен интерметаллнда Mg2 Al3. Интерметаллид не пассивируется в растворах хлоридов и растворяется со ско­ ростью. большей, чем основной металл. Кроме того, при выпа­ дении интерметаллнда вследствие разницы объемов интерметаллида и матрицы в последней возникают локальные напря­ жения. Совместное воздействие этих напряжений, а также напряжений, приложенных извне, приводит к локальной пласти­ ческой деформации и образованию дислокаций. Атомы, распо­ ложенные вблизи ядра дислокаций, обладают повышенной энергией и растворяются с большой скоростью. Электронномикроскопические исследования показали, что в алюминиевых сплавах, склонных к коррозионному растрескиванию, наблю­ дается скопление дислокаций по границам зерен. Применением соответствующей термической обработки можно добиться выде­ ления интерметаллидов не по границам, а по телу зерна. При

зерен и образования непрерывной сетки выделений и дислока­ ций. Сплав при этом не подвергается коррозионному растрески­ ванию.

При совместном воздействии коррозионной среды и знако­ переменных нагрузок алюминиевые сплавы могут разрушаться вследствие коррозионной усталости. В 3%-ном растворе хло­ ристого натрия при ІО7 циклах предел усталости для ряда сплавов алюминия составляет 3,5 кГ/мм2.

В исследовательских реакторах для оболочек твэлов и эле­ ментов конструкций применяется алюминий высокой чистоты, поскольку температура воды, насыщенной воздухом, не превы­ шает 40—70°. Качество воды должно соответствовать следую­ щим нормам:

Алюминий высокой чистоты и сплавы типа 6061 могут при­ меняться в реакторах, охлаждаемых речной или озерной водой при температуре до S0—90°.

Для работы при 170—200° используют сплавы типа А288, Х8001 (см. табл. 8 .8 ). Нормы на качество воды в этом случае отличаются от принятых для исследовательских реакторов по содержанию кислорода и величине pH: вода должна содержать

не более 0,02 мг/л кислорода, а pH должно быть 4,5—5,5.

♣ 8. 6

Цирконий и его сплавы

Физические свойства. Сплавы алюминия в настоящее время не применяют при температуре выше 2 0 0 °, так как при такой температуре коррозионная стойкость и прочность их недоста­ точны. Из материалов с малым сечением захвата в этой обла­ сти температур широкое применение получили сплавы цирко­ ния. Физико-механические (табл. 8.9) и коррозионные их характеристики делают сплавы циркония весьма перспектив­ ными для изготовления оболочек твэлов. В реакторах каналь­ ного типа сплавы циркония незаменимы для изготовления канальных труб. Применение каналов из сплавов циркония существенно снижает поглощение нейтронов по сравнению с