ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 3, с. 392-396
УДК 621.791.3
ПОЛИТЕРМЫ ПЛОТНОСТИ, ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВИСМУТИСТОГО СВИНЦА И УГЛА СМАЧИВАНИЯ ВЫСОКОНИКЕЛЕВЫХ И ФЕРРИТНО-МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ СПЛАВОМ Pb-Bi
© 2014 г. Д. А. Камболов1, А. З. Кашежев2, Р. А. Кутуев3, М. Х. Понежев2,
В. А. Созаев12, А. Х. Шерметов2
1ФГБОУВПО Северо-Кавказский горно-металлургический институт (ГТУ), г. Владикавказ 2ФГБОУВПО Кабардино-Балкарский государственный университет, г. Нальчик 3ФГБОУВПО Чеченский государственный университет, г. Грозный E-mail: sozaevv@kbsu.ru Поступила в редакцию 11.03.2013 г.
Методом большой капли (в графитовой чашечке) исследованы политермы плотности р и поверхностного натяжения ст висмутистого свинца в интервале от точки плавления до ~1050 K в атмосфере гелия. Обнаружено, что зависимости р(Т) и ст(Т) близки к линейным и убывают с температурой. Методом лежащей капли (на подложке) исследованы температурные зависимости угла смачивания 9 новых высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей висмутистым свинцом в указанном интервале температур в вакууме (0.01 Па). Показано, что стальные подложки, легированные алюминием, не смачиваются в исследованном интервале температур.
DOI: 10.7868/S0040364414030144
ВВЕДЕНИЕ
В связи с развитием реакторов на быстрых нейтронах вновь возрос интерес к изучению поверхностных свойств на основе свинца [1—7]. Сплавы системы свинец—висмут являются одними из перспективных жидкометаллических теплоносителей ядерных энергетических установок [1]. Однако для свинец-висмутовых сплавов характерна высокая коррозионная активность при контакте с реакторными сталями [8—10], в связи с чем последние легируют хромом, никелем, алюминием и кремнием. Так, при добавлении хрома на поверхности сталей образуется устойчивый к растворению в химически агрессивных металлических расплавах оксидный слой БеСг204 [9]. Снижение коррозии сталей также достигается путем нанесения защитной пленки из окиси алюминия.
В настоящее время еще уточняются различные физико-химические свойства сплава свинец-висмут эвтектического состава [5, 6, 11, 12], а также углы смачивания расплавами РЪ-Б1 реакторных сталей [6-14]. Также предпринимаются попытки исследования свойств сплавов свинец-висмут с малым содержанием висмута.
Данная работа посвящена изучению температурной зависимости плотности, поверхностного натяжения висмутистого свинца и угла смачивания им новых высоконикелевых и ферритно-мар-тенситных реакторных сталей, являющихся кон-
струкционными материалами энергетических установок нового поколения.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Висмутистый свинец, исследуемый в настоящей работе, - сплав свинца с висмутом, подвергался элементному анализу на волновом рентге-нофлуоресцентном спектрометре ЛЯЬ-ЛЭХР-2353. Состав висмутового свинца приводится в табл. 1, из которой видно, что основными элементами сплава являются РЪ (86.33 мас. %) и Б1 (10.59 мас. %). Содержание остальных компонентов сплава не превышает 1%.
Все эксперименты по определению плотности р, поверхностного натяжения а и угла смачивания 9 производились на высокотемпературной установке с водоохлаждаемым корпусом в интервале температур от точки плавления до ~1050 К [15]. Перед проведением измерений в течение 40 мин производилась дегазация камеры. Капля исследуемого вещества подавалась на рабочее место через изогнутый кварцевый капилляр. Далее производилось фотографирование профиля капли при помощи цифрового фотоаппарата с матрицей 14.1 мегапикселей. Перед съемкой капля выдерживалась при постоянной температуре 2-3 мин. Временной интервал между последовательными снимками составлял 5 мин. Исследование температурных зависимостей р и а расплавленного
ПОЛИТЕРМЫ ПЛОТНОСТИ, ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
393
висмутистого свинца производилось методом большой капли в графитовой чашечке в атмосфере гелия (марки А). Выбор графита в качестве материала чашечки обусловлен тем, что свинец и сплавы на его основе не смачивают графитовые чашечки в указанном интервале температур (9 > 140°). Для изготовления использовался мелкозернистый графит марки МГ, класс чистоты ОСЧ-7-4 с содержанием примесей не более 7 х 10-5 мас. %.
Обмер фотографий, полученных в опытах по определению р и а, производился с применением автоматизированного программного комплекса, основанного на методике [16]. Погрешность измерений, обусловленная ошибкой определения координат меридионального сечения капли, составила 1% для плотности и <2% для поверхностного натяжения при выполнении условия В/а < 0.05 (где В — максимальный радиус капли, а = (2а/(р^))1/2 — капиллярная постоянная, g — ускорение свободного падения).
Измерения углов смачивания 9 проводились методом лежащей капли в вакууме ~0.01 Па с погрешностью порядка 1%. Обработка кадров в этом случае осуществлялась согласно [17].
Было исследовано пять конструкционных материалов, применяемых для шестигранных чехлов тепловыделяющих сборок и оболочек ТВЭЛов быстрых реакторов. Рабочие образцы представляли собой тонкие подложки размером 15 х 15 мм и толщиной 0.4—0.5 мм, обе поверхности которых предварительно полировались и последовательно промывались спиртом-ректификатом и дважды дистиллированной водой. Химический состав исследованных сталей приводится в табл. 2.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Результаты исследований политерм плотности и поверхностного натяжения жидкого висмути-
Таблица 1. Состав висмутистого свинца
Элемент Содержание, Стандартная
мас. % ошибка
РЬ 86.33 0.17
Б1 10.59 0.15
1г 0.65 0.15
Sn 0.624 0.050
Лг 0.503 0.031
Са 0.349 0.020
Sb 0.277 0.047
Si 0.159 0.015
Бе 0.123 0.018
Л1 0.088 0.025
7п 0.069 0.015
к 0.062 0.014
Мо 0.061 0.028
Б 0.059 0.011
Си 0.057 0.017
стого свинца показаны на рис. 1 и 2, из которых видно, что как р, так и а убывают с увеличением температуры. Значения р и а по абсолютной величине находятся между таковыми для чистого свинца и свинец-висмутовой эвтектики [18]. Статистический анализ полученных результатов позволил заключить, что наилучшее приближение аналитическими функциями дают линейные зависимости висмутистого свинца, полученные методом наименьших квадратов, и для сравнения аналогичные данные для жидких РЬ, (РЪ—Б1)эвт и Б1 приводятся в табл. 3.
Из рис. 1, 2 и табл. 3 видно, что температурные коэффициенты йр/йТ и йа/йТ близки к таковым для сплава эвтектического состава. Плотность
р, кг/м3 10600
10400
10200
10000
9800
9600
РЬ
-....(РЬ-Б1)эвТ
Б1
_V-
600 700 800
900 1000 1100 Т, к
а, мН/м 450
РЬ
430 410 390 370 350
......
(РЬ-Б1)эвт Б1
600 700 800 900 1000 1100
Т, к
Рис. 1. Температурная зависимость плотности висмутистого свинца (для сравнения пунктиром приведены зависимости плотности РЬ, Б1 и (РЬ—Б1)эвт [18]).
Рис. 2. Температурная зависимость поверхностного натяжения висмутистого свинца (пунктиром проведены рекомендуемые данные РЬ, Б1 и (РЬ—Б1)эвт [18]).
394
КАМБОЛОВ и др.
Таблица 2. Содержание примесей (мас. %) в исследованных подложках
Элемент Сталь ЭК-173 Сталь ЭК-181 Сталь ЭП-450 Сталь ЭП-753ТЮР Сталь ЭП-753А
Б - 0.004 0.004 0.005 -
С 0.05 0.14 0.14 0.027 0.012
N 0.006 0.044 - 0.007 0.01
О - 0.001 - - 0.001
А1 1.2 0.01 - 0.85 -
0.07 0.37 0.20 0.006 0.03
Р 0.006 0.007 0.017 0.005 0.009
0.006 0.007 0.009 0.005 0.008
Т1 2.10 - - 1.21 -
V 0.14 0.29 0.22 0.13 -
Сг 17.9 11.2 12.95 18.11 18.9
Мп 1.67 0.94 0.31 1.48 1.70
Со 0.01 0.003 - - 0.05
N1 41.08 0.03 0.20 39.83 41.1
Си - 0.01 - 0.01 -
Хп - 0.01 - - -
№ 0.41 <0.1 - 0.51 0.51
Мо 5.21 <0.01 1.54 4.94 4.7
Та - 0Л7 - - -
- 1Л - - -
Таблица 3. Коэффициенты уравнений р = А - ВТ и ст = А* - В*Т и коэффициенты корреляции для плотности Я и поверхностного натяжения Я* для изученных расплавов
Вещество А, кг/м3 В, кг/(м3 К) Я А *, мН/м В*, мН/(м К) Я*
РЪ 11399.88 ± 10.48 1.2411 ± 0.0121 -0.99895 486.59 ± 0.49 0.0851 ± 0.0005 -0.99951
РЪ- 10.59 мас. % Б1 11204.28 ± 19.28 1.1574 ± 0.0229 -0.99492 474.79 ± 1.04 0.0738 ± 0.0012 -0.99639
(РЪ- -Б1)эвт 11080.95 ± 14.73 1.3141 ± 0.0181 -0.99821 441.77 ± 0.59 0.0707 ± 0.0007 -0.99901
Б1 10718.06 ± 16.53 1.1911 ± 0.0199 -0.98874 431.33 ± 1.16 0.0841 ± 0.0026 -0.95988
висмутистого свинца ниже плотности чистого свинца, а поверхностное натяжение близко к значению а чистого свинца.
Результаты исследований угла смачивания новых высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей (классов ЭК и ЭП) расплавом РЪ—Б1 свидетельствуют о том, что различные добавки легирующих элементов в состав стали позволяют изменять угол смачивания 9 (рис. 3). На графике 3 указывается "отношение текущей концентрации растворенного кислорода к концентрации насыщения (предельной при данной температуре)": Сст/С^ = 1.
Последнее выражение означает, что начальная активность равнялась единице, а при высоких
температурах, (когда потребность в кислороде возрастает), вещество капли "вытаскивает" кислород из подложки, где самым слабым звеном является Бе304.
В случае подложек из сталей ЭК-181, ЭК-450 наблюдаются пороги смачивания при температуре ~1000 К. На подложках из стали ЭП-753А в интервале температур 900—1000 К также наблюдается существенное снижение угла смачивания. Возможно, подобный ход политерм связан с разрушением пленок оксида хрома при температурах свыше 900 К.
Что касается подложек из сталей марок ЭК-173 и ЭП-753ТЮР, то пороги смачивания не наблюдаются. Видимо, это связано с более высоким со-
ПОЛИТЕРМЫ ПЛОТНОСТИ, ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
395
О, град 125
C,
115
105
95
85
75
65
[ o]
c[ o]surf
725
825
90°
925
•V
д
I Д
1025 Г, K
Рис. 3. Политермы угла смачивания висмутистым свинцом подложек из сталей: 1 — ЭК-181, 2 — ЭП-753А, 3 — ЭК-173, 4 - ЭП-753ТЮР, 5 - ЭК-450.
держанием алюминия (см. табл. 2), который, ад-сорбируясь на поверхности стали, создает устойчивую защитную антикоррозийную пленку. Улучшение антикоррозионных свойств сталей при наличии алюминия в их структуре обнаруживалось и ранее в экспериментах с чистыми РЬ, Б1 [19] и очищенной эвтектикой РЬ—Б1 [18].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе изучены политермы плотности и поверхностного натяжения свинца с небольшими до
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.