Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов
Изучены формы жидкой ванны в процессе выплавки слитков, поведение примесей внедрения и замещения в слитках, определено структурное состояние слитка по высоте и диаметру....
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 1999 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
1999
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81111 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов / В.М. Аржакова, С.Ф. Федотов, Л.Ф. Ермакова, В.А. Котрехов, В.А. Дубровский, О.Ю. Бессонов // Вопросы атомной науки и техники. — 1999. — № 2. — С. 94-96. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859621091591323648 |
|---|---|
| author | Аржакова, В.М. Федотов, С.Ф. Ермакова, Л.Ф. Котрехов, В.А. Дубровский, В.А. Бессонов, О.Ю. |
| author_facet | Аржакова, В.М. Федотов, С.Ф. Ермакова, Л.Ф. Котрехов, В.А. Дубровский, В.А. Бессонов, О.Ю. |
| citation_txt | Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов / В.М. Аржакова, С.Ф. Федотов, Л.Ф. Ермакова, В.А. Котрехов, В.А. Дубровский, О.Ю. Бессонов // Вопросы атомной науки и техники. — 1999. — № 2. — С. 94-96. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Изучены формы жидкой ванны в процессе выплавки слитков, поведение примесей внедрения и замещения в слитках, определено структурное состояние слитка по высоте и диаметру.
|
| first_indexed | 2025-11-29T03:09:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 620.183.48
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ЦИРКОНИЕВЫХ
СЛИТКОВ СПЛАВОВ Э110 И Э125 ДВОЙНОГО ВАКУУМНО-ДУГОВО-
ГО ПЕРЕПЛАВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОАКТИВНЫХ ИНДИ-
КАТОРОВ
В.М. Аржакова, С.Ф. Федотов, Л.Ф. Ермакова
(ГНЦ РФ ВНИИНМ имени академика А.А. Бочвара, г. Москва, Россия)
В.А. Котрехов, В.А. Дубровский, О.Ю.Бессонов (ОАО «ЧМЗ», г. Глазов, Россия)
Изучены формы жидкой ванны в процессе выплавки слитков, поведение примесей внедрения и замещения в
слитках, определено структурное состояние слитка по высоте и диаметру.
Структура циркониевых слитков, выплав-
ленных двойным вакуумно-дуговым пере-
плавом (ВДП) исследовалась с использова-
нием радиоактивных индикаторов: перед
выплавкой слитков очень небольшие коли-
чества W-185 и С-14 добавляли в шихтовые
материалы. Они декорировали структуру
слитков и сделали возможным изучить пове-
дение примесей в процессе кристаллизации
расплава, изменение структуры в зависимо-
сти от режимов плавления.
Радиоактивный индикатор, используемый
для целей авторадиографии, должен отве-
чать следующим требованиям [1,2]:
- быть химическим элементом, входящим в
состав исследуемого сплава в качестве
легирующего компонента или примеси,
или аналогом этого элемента, чтобы не
вносить искажения в кинетику кристал-
лизации и строение слитка;
иметь мягкое альфа- или бета- излучение,
так как пробег альфа- и бета- частиц в
металле и фотоэмульсии относительно
невелик;
иметь максимальную энергию бета- излуче-
ния не превышающую 0,3-0,4 МэВ, так
как применение изотопов с большей
энергией требует «отсечения» бета-ча-
стиц из глубинных слоев путем изготов-
ления тонких образцов (0,03-0,06 мм), а
значит, они не применимы для изучения
больших объемов металла;
иметь ядерно-физические характеристики,
позволяющие выполнить требования ра-
диационной безопасности при использо-
вании изотопа в промышленных услови-
ях в слитках больших размеров;
иметь значительный период полураспада,
чтобы не приходилось естественную
убыль изотопа в процессе исследования
компенсировать повышением активности
(допустимого количества изотопа), кото-
рая в практических условиях регламенти-
руется нормативами радиационной без-
опасности для работающих на заводе;
иметь с точки зрения экономических сообра-
жений относительно низкую стоимость.
Элементы, входящие в исследуемые спла-
вы в качестве легирующих или контролируе-
мых примесей, по разным причинам не мо-
гут быть использованы для авторадиографии
промышленных слитков: изотопы ниобий-95
и цирконий-95 - из-за сравнительно большой
энергии излучения и трудности обеспечения
радиационной безопасности в промышлен-
ных условиях из-за высокой токсичности
изотопов. Ядерно-физические характеристи-
ки изотопов приведены в табл.1. Исходя из
вышеуказанного, наиболее целесообразно
для изучения формирования литой структу-
ры циркониевых сплавов Э110 и Э125 ис-
пользовать изотоп вольфрама- 185 и изотоп
углерода- 14. Эти элементы входят в число
естественных примесей сплава, имеют низ-
кую энергию β-излучения длительный пери-
од полураспада.
Радиоактивный изотоп вольфрама декориру-
ет формы роста тонкой структуры сплава и
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2000, №2.
СЕРИЯ: ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАДИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (77),C.94-97. 94
поведение примесей замещения, в данном
случае легирующих элементов: олова, нио-
бия и железа. Углерод декорирует макро-
структуру слитка и поведение примесей вне-
дрения кислорода, углерода, азота и крем-
ния.
Таблица 1.
Ядерно-физические характеристики изотопов
Радио
изотоп
Вид
излу-
чения
Пер.
полу-
распа-
да Т
Выход
βча-
стиц%
распад
γ-
квант.
%
Макс. β
частиц,
МэВ
Энерг
.γ-
квант
МэВ
ниобий-
95
цирко-
ний-95
β-γ
β-γ
35
дней
65
дней
100
100
100
100
0,93
0,88
0,76
0,76
Удельные активности по изотопу углеро-
да - 0,15 мКи/кг, а по вольфраму - 0,05
мКи/кг, являются достаточными для получе-
ния достоверных и качественных авторадио-
грамм на всех стадиях исследования.
При этом мы не получаем картину распре-
деления конкретного легирующего элемента
- ниобия или олова в выявленных формах
роста, но ее можно смоделировать, сравни-
вая равновесные коэффициенты распределе-
ния их и вольфрама в цирконии. Общее вы-
ражение для коэффициента распределения
имеет вид:
К = С5/ С1,
где -С1 -концентрация в жидкой фазе,
С5 -концентрация в твердой фазе.
Равновесный коэффициент распределения
Ко определяется термодинамическими свой-
ствами основного компонента и примеси
при скорости кристаллизации, равной или
близкой к нулю, и характеризует изотерми-
ческое отношение концентрации двух фаз,
находящихся в равновесии между собой [3].
Коэффициент распределения для конкретно-
го процесса кристаллизации определяется
следующими факторами:
• кинетикой процессов на границе раздела
жидкой и твердой фаз;
• термодинамическими свойствами основ-
ного компонента и примеси взаимодей-
ствующих фаз (жидкой и твердой);
• полнотой массообмена в области, близкой
к границе раздела фаз (диффузия и кон-
векция);
• формой границы раздела твердой и жид-
кой фаз.
Следовательно, моделирование на основе
сравнения равновесных коэффициентов рас-
пределения вполне правомочно. Поэтому,
сравним, например, равновесный коэффици-
ент распределения при кристаллизации жид-
кого расплава ниобия и вольфрама:
К0 ниобия < 1 и К0 вольфрама < 1. Коэффи-
циент распределения этих элементов при по-
лиморфном превращении β→ α- циркония:
К ниобия < 1 и К вольфрама < 1.
Оба элемента имеют ОЦК решетку, оба β
- стабилизаторы, атомный радиус ниобия -
145, вольфрама - 149, температура плавле-
ния ниобия - 25000С, вольфрама - 3140°С.
Можно предположить, что внутрикристал-
лическая ликвация ниобия подобна вольфра-
му.
Изотоп вольфрама-185 использовали для
изучения формирования литой структуры
циркониевых сплавов, так как он растворим
в цирконии, то есть является элементом за-
мещения. Этот элемент входит в число есте-
ственных примесей сплава, имеет низкую
энергию β-излучения, длительный период
полураспада и позволяет выявить дендрит-
ное строение сплава, которое не выявляется
при обычном травлении для получения ма-
кроструктуры. Изотоп вольфрама- 185 вво-
дили в сплав в виде многокомпонентной
четверной лигатуры.
Для исследования поведения примесей вне-
дрения (углерод и другие), образующих раз-
личные включения в циркониевых сплавах,
использовали изотоп углерода-14. Изотоп
углерода вводили в сплав в виде соединения
циркония с углеродом.
Слитки выплавляли двойным дуговым
переплавом /ВДП/ по различным технологи-
ческим схемам и режимам. Далее боковую
поверхность слитков оплавляли электрон-
ным лучом.
Из полученных слитков вырезали про-
дольные и поперечные темплеты. Контакт-
ным методом с темплетов получали рентге-
нограммы в натуральную величину, М 1:1.
Изучение радиограмм слитков позволило
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2000, №2.
СЕРИЯ: ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАДИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (77),C.94-97.94
показать зависимость коэффициентов фор-
мы жидкой ванны металла от высоты за-
твердевшей части слитка первого переплава,
где коэффициент формы жидкой ванны ме-
талла (ж.в.м.) - отношение глубины ж.в.м. на
1/2 слитка к ее максимальной глубине по оси
слитка ( рис. 1,2).
Рис.1.Зависимость коэффициента формы
жидкой ванны от высоты наплавленного слит-
ка
Стационарная ж.в.м. формируется на рас-
стоянии 300 мм от донной части слитка и
представляет собой сложную в сечении фор-
му, состоящую из параболической нижней
части и трапецеидальной верхней части, вы-
сота которой составляет около половины
глубины ж.в.м.(рис. 3).
Исследования показывают, что форма
ж.в.м. (нижней части) в осевом сечении до-
статочно точно описывается уравнением [3]:
Рис. 2. Зависимость глубины жидкой ванны ме-
талла от высоты наплавленного слитка.
Y = kx2,
где Y - глубина сечения ж.в.Ме, х - диаметр
сечения на данной глубине, k-0,0017. Исхо-
дя из вышеизложенного, масса стационар-
ной ж.в.Ме составляет 115..120 кг.
Таким образом, при первом переплаве
объем ж.в.Ме превысил в 3,2...3,4 раза объем
одной порции шихты (одного брикета), при
этом достигается удовлетворительная одно-
родность слитка.
Слитки второго переплава выплавляли в
кристаллизатор диаметром 450 мм, массой
1,2 т (см. табл.2).
Рис.3. Изменение формы и глубины
жидкой ванны металла в процессе наплавления
слитка второго переплава
Таблица 2
Объем и масса стационарной ж.в.Ме.
Наименование Объём,
смЗ
Масса, кг
Конус. часть ж.в.м.
Параб. часть ж.в.м.
ж.в.м.
Брикет
12400
6100
18500
5740
77
38
115
31
Было определено расположение зон с раз-
личным типом кристаллизации и различные
структурные области слитка: тонкая ячеи-
стая, ячеистая, ячеисто- дендритная, перехо-
дящая в дендритную (рис.4). . Для исследо-
вания поведения примесей внедрения (угле-
род и другие), образующих различные вклю-
чения в циркониевых сплавах, использовали
изотоп углерода-14. Изотоп углерода вводи-
ли в сплав в виде соединения циркония с уг-
леродом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенной работы изучены
формы жидкой ванны в процессе выплавки
слитков, поведение примесей внедрения и
замещения в слитках, определено структур-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2000, №2.
СЕРИЯ: ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАДИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (77),C.94-97. 94
Рис. 4. Расположение в слитке зон с различным
типом кристаллизации, фрагменты авторадио-
грамм и макроструктуры
ное состояние слитка по высоте и диаметру.
Определена зависимость коэффициента фор-
мы жидкой ванны и ее глубины от высоты
наплавленного слитка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бокштейн С.3., Гинзбург С.С., Кишкин
С.Т., Морозов Л.М. Электронно-микро-ско-
пическая авторадиография в металло-веде-
нии. М.: Металлургия, 1978.
2. Аржакова В.М. и др. Доклад «Произ-
водство слитков циркониевых сплавов в Рос-
сии»// Индийско-российская конферен-ция,
г.Хайдерабад, 17.08. - 21.08.1998.
3. Морозов Е.И., Курапов В.Н. Слитки тита-
новых сплавов. М.: Металлургия, 1970.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2000, №2.
СЕРИЯ: ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАДИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (77),C.94-97.94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81111 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T03:09:46Z |
| publishDate | 1999 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Аржакова, В.М. Федотов, С.Ф. Ермакова, Л.Ф. Котрехов, В.А. Дубровский, В.А. Бессонов, О.Ю. 2015-05-06T12:08:05Z 2015-05-06T12:08:05Z 1999 Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов / В.М. Аржакова, С.Ф. Федотов, Л.Ф. Ермакова, В.А. Котрехов, В.А. Дубровский, О.Ю. Бессонов // Вопросы атомной науки и техники. — 1999. — № 2. — С. 94-96. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81111 620.183.48 Изучены формы жидкой ванны в процессе выплавки слитков, поведение примесей внедрения и замещения в слитках, определено структурное состояние слитка по высоте и диаметру. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Металлофизические исследования перспективных сплавов циркония Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов Аржакова, В.М. Федотов, С.Ф. Ермакова, Л.Ф. Котрехов, В.А. Дубровский, В.А. Бессонов, О.Ю. Металлофизические исследования перспективных сплавов циркония |
| title | Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов |
| title_full | Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов |
| title_fullStr | Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов |
| title_full_unstemmed | Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов |
| title_short | Исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов Э110 и Э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов |
| title_sort | исследование структурного состояния циркониевых слитков сплавов э110 и э125 двойного вакуумно-дугового переплава с использованием радиоактивных индикаторов |
| topic | Металлофизические исследования перспективных сплавов циркония |
| topic_facet | Металлофизические исследования перспективных сплавов циркония |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81111 |
| work_keys_str_mv | AT aržakovavm issledovaniestrukturnogosostoâniâcirkonievyhslitkovsplavové110ié125dvoinogovakuumnodugovogopereplavasispolʹzovaniemradioaktivnyhindikatorov AT fedotovsf issledovaniestrukturnogosostoâniâcirkonievyhslitkovsplavové110ié125dvoinogovakuumnodugovogopereplavasispolʹzovaniemradioaktivnyhindikatorov AT ermakovalf issledovaniestrukturnogosostoâniâcirkonievyhslitkovsplavové110ié125dvoinogovakuumnodugovogopereplavasispolʹzovaniemradioaktivnyhindikatorov AT kotrehovva issledovaniestrukturnogosostoâniâcirkonievyhslitkovsplavové110ié125dvoinogovakuumnodugovogopereplavasispolʹzovaniemradioaktivnyhindikatorov AT dubrovskiiva issledovaniestrukturnogosostoâniâcirkonievyhslitkovsplavové110ié125dvoinogovakuumnodugovogopereplavasispolʹzovaniemradioaktivnyhindikatorov AT bessonovoû issledovaniestrukturnogosostoâniâcirkonievyhslitkovsplavové110ié125dvoinogovakuumnodugovogopereplavasispolʹzovaniemradioaktivnyhindikatorov |