Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Одно из основных различий между сплавами в состоянии 6-фазы и нелегированным плутонием состоит в поведении при затвердевании, имеющем важное значение при литье. Как показано на рис. 2, нелегированный плутоний значительно расширяется при затвердевании, после чего происходит очень сильное
(б) Типичная микроструктура литого 6-фазного сплава отражает распределение концентрации галлия между точками В и С на рис. (а). Состав центра зерен 6-фазы соответствует концентрации галлия в точке
В, а на границах зерен может быть очень мало галлия, что свидетельствует о том, что остатки в-фазы превращаются в 6-фазу при концентрации галлия в точке С или ниже ее. Можно видеть, что получающаяся в результате микроструктура является сильно ликвированной или сегрегированной. Она состоит из обогащенных галлием участков
5-фазы в центре дендритных ячеек, окружающего их слоя с небольшим содержанием галлия в 5-фазе (темные области) на периферии ячеек и междендритной области, в которой имеется совсем немного галлия и в которой в процессе охлаждения из-за недостаточного содержания галлия прошло превращение в a-фазу. Показаны также измеренные и расчетные профили распределения концентрации галлия в направлении от центра к границе зерна (Mitchell et al. 2000). Такой вид микросегрегации является типичным для большинства сплавов, которые при охлаждении проходят через двухфазную область жидкость плюс твердая фаза, так как обычно диффузия в жидкости проходит намного быстрее. В связи с аномально высокой скоростью диффузии в в-плутонии нет проблемы с ликвацией в двухфазной области жидкость плюс в-фаза. Она возникает лишь в двухфазной области в- плюс 5-фаза. Для выравнивания состава по галлию необходимо нагреть сплав до высоких температур в области существования 5-фазы и отжечь его при этих температурах в течение длительного времени. Прохождение гомогенизации по галлию и последовательное изменение микроструктуры также показаны для температуры 460°С
сжатие в твердом состоянии. Как правило, происходит растрескивание и деформация. Поэтому так сложно получить качественную отливку из а-фазы с высокой плотностью (19,86 г/см3). С другой стороны, плутоний-галлиевые сплавы претерпевают небольшое расширение при затвердевании, за которым следует небольшое совершенно однородное сжатие. Тем не менее по причинам, представленным на рис. 20, обычным при изготовлении сплавов является появление двух фаз: 6-фазы с высоким содержанием галлия и обедненной по галлию моноклинной a-фазы. Точное содержание каждой фазы зависит в первую очередь от средней концентрации галлия и скорости охлаждения. Для снижения микронеоднородности галлия и выравнивания по составу необходимо провести отжиг при максимально возможной температуре в области 6-фазы.
Время гомогенизации сокращается при уменьшении размера зерен и повышении температуры (в пределах области существования 6-фазы).
Измерения плотности и рентгеновская дифракция показали, что кристаллическая структура 6-фазного сплава такая же, как и структура высокотемпературной 6-фазы нелегированного плутония, за тем исключением, что атомы галлия замещают атомы плутония в гцк решетке. Результаты рентгеновской дифракции показывают четкие пики Брэгга, соответствующие только гцк фазе. Параметры решетки 6-фазы уменьшаются при увеличении содержания галлия. Как показано на рис. 21, уменьшение оказывается больше, чем можно ожидать из правила смесей (называемого законом Вегарда). Имеются только два элемента - церий и америций, - ко-
Number 26 2000 Los Alamos Science
321
Плутоний и его сплавы
Рис. 21. Параметры решетки и закон Вегарда для гцк сплавов плутония
Галлий, алюминий, скандий, церий и америций в сплавах с плутонием образуют твердый раствор замещения на основе гцк 5-фазы и сохраняют ее при комнатной температуре. Галлий, алюминий и скандий сжимают решетку, тогда как церий и америций расширяют ее. Сжатие от галлия и алюминия больше, чем по правилу аддитивной зависимости атомных радиусов (известном как закон Вегарда). На рисунке сравнивается изменение параметров решетки по закону Вегарда и экспериментальные результаты для сплавов с галлием
торые увеличивают параметр решетки 6-фазы.
Нам неизвестно, расположены ли атомы галлия в гцк решетке плутония случайным образом или упорядоченно. В последние годы Стив Конрадсон из Лос-Аламоса и французские исследователи использовали спектроскопию тонкой структуры поглощения рентгеновского излучения (ТСРП) для изучения локального окружения атомов плутония и галлия в сплавах (с синхротронным источником излучения). Они подтвердили, что атомы галлия являются атомами замещения. Расстояние между атомами плутония значительно больше, чем расстояние между атомами галлия и плутония. Для сплавов с низким содержанием галлия данные Конрадсона позволяют предположить наличие локальной упорядоченной структуры ближнего поряд-
ка наряду со структурами дальнего порядка, характеризующимися обычными для гцк решетки параметрами. Пока нам не полностью понятны такие тонкие детали. Тем не менее эти особенности могут оказаться очень существенными для процессов старения плутониевых сплавов.
