آلیاژ زیرکونیوم : معرفی، تولید و خواص، اکسیداسیون، کاربردها!

 

آلیاژ زیرکونیوم که از طریق محلول های جامد زیرکونیوم یا فلزات دیگر حاصل می شوند. زیرکونیوم دارای سطح مقطع جذبی بسیار کم نوترون های حرارتی، سختی بالا، شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی می باشد.

 

یکی از کاربردهای اصلی آلیاژهای زیرکونیوم در فناوری هسته ای، به عنوان روکش میله های سوخت در راکتورهای هسته ای به ویژه راکتورهای آب می باشد.

 

یک ترکیب معمول از آلیاژهای زیرکونیوم درجه هسته ای شامل بیش از ۹۵ درصد وزنی زیرکونیوم و کمتر از ۲ درصد قلع، نیوبیوم، آهن، کروم، نیکل و سایر فلزات است که برای بهبود خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی اضافه می شوند.

 

خنک سازی با آب در آلیاژهای زیرکونیوم راکتور، مقاومت آنها در برابر خوردگی مربوط به اکسیداسیون را افزایش می دهد. به علاوه، واکنش اکسیداتیو زیرکونیوم با آب، گاز هیدروژن آزاد می کند که تا حدی در آلیاژ پخش می شود و هیدریدهای زیرکونیوم را تشکیل می دهد.

 

هیدریدها چگالی کمتری دارند و از نظر مکانیکی ضعیف تر از آلیاژ هستند. شکل گیری آنها منجر به تاول زدن و ترک خوردن روکش می شود، پدیده ای که به عنوان تردی هیدروژن شناخته می شود.

 

تولید و خواص آلیاژهای زیرکونیوم

 

تولید و خواص آلیاژهای زیرکونیوم

 

زیرکونیوم تجاری غیر هسته ای معمولاً حاوی ۱-۵ درصد هافنیوم است که سطح مقطع جذب نوترون آن ۶۰۰ برابر زیرکونیم است. بنابراین لازم است که هافنیم برای کاربردهای راکتور تقریباً به طور کامل و یا کمتر از ۲ درصد حذف شود.

 

آلیاژهای زیرکونیوم هسته ای بیش از ۹۵ درصد زیرکونیم دارند و بنابراین بیشتر خواص آنها مشابه زیرکونیوم خالص است. در دمای زیر ۱۱۰۰ درجه کلوین، آلیاژهای زیرکونیم از خانواده بلورهای شش ضلعی (HCP) هستند.

 

ریزساختار این آلیاژها، که در اثر حمله شیمیایی نشان داده شده است، دانه های سوزنی مانند نمونه ای از الگوی Widmanstätten را نشان می دهند. پس از آنیل زیر دمای انتقال فاز (α-Zr به β-Zr) دانه ها با اندازه های مختلف از ۳ تا ۵ میکرومتر تشکیل می گردند.

 

اکسیداسیون آلیاژ زیرکونیوم

 

اکسیداسیون آلیاژ زیرکونیوم

 

آلیاژهای زیرکونیوم به راحتی با اکسیژن واکنش نشان می دهند و یک لایه انفعال نازک نانومتر تشکیل می دهند. مقاومت در برابر خوردگی آلیاژها ممکن است در صورت وجود برخی ناخالصی ها (به عنوان مثال بیش از ۴۰ ppm کربن یا بیش از ۳۰۰ ppm ازت) وجود داشته باشد.

 

مقاومت در برابر خوردگی آلیاژهای زیرکونیم با توسعه لایه انفعال ضخیم تری از اکسید زیرکونیوم براق سیاه افزایش می یابد. اکسیداسیون در هوا یا در آب با همان سرعت انجام می شود و در شرایط محیط یا در خلاء زیاد پیش می رود.

 

یک لایه نازک از زیر میکرومتر دی اکسید زیرکونیوم به سرعت در سطح تشکیل می شود و انتشار بیشتر اکسیژن به حجم عمده و اکسیداسیون بعدی را متوقف می کند. وابستگی میزان اکسیداسیون R به دما و فشار را نیز می توان بیان کرد.

 

اکسید شدن زیرکونیم توسط بخار

 

اکسید شدن زیرکونیم توسط بخار

 

یک عیب زیرکونیوم فلزی این است که در صورت اتلاف حفره خنک کننده در یک راکتور هسته ای، روکش زیرکونیم به سرعت با بخار آب در دمای بالای ۱۲۳۰ درجه سانتیگراد واکنش نشان می دهد.

 

اکسید شدن زیرکونیوم توسط آب همراه با آزادسازی گاز هیدروژن است. این اکسیداسیون در دماهای بالا شتاب می گیرد، به عنوان مثال در داخل هسته راکتور اگر مجموعه های سوخت دیگر کاملاً توسط آب مایع پوشانده نشوند و به اندازه کافی خنک نشوند.

 

زیرکونیوم فلزی توسط پروتون های آب اکسید شده و با توجه به واکنش ردوکس زیر، گاز هیدروژن تشکیل می دهد:

 

Zr + 2H۲O → ZrO۲ + ۲H۲

 

روکش زیرکونیوم در حضور اکسید دوتریم D۲O که به عنوان تعدیل کننده و مایع خنک کننده در راکتورهای آب سنگین تحت فشار نسل بعدی که راکتورهای هسته ای طراحی شده توسط CANDU استفاده می کنند، اکسیداسیون یکسان را در معرض بخار اکسید دوتریم به شرح زیر بیان می کند:

 

Zr + 2D۲O → ZrO۲ + ۲D۲

 

این واکنش گرمازا، اگرچه فقط در دمای بالا رخ می دهد، اما مشابه فلزات قلیایی (مانند سدیم یا پتاسیم) با آب است. همچنین شباهت زیادی به اکسیداسیون بی هوازی آهن توسط آب دارد.

 

تشکیل هیدریدها و شکنندگی هیدروژن

 

تشکیل هیدریدها و شکنندگی هیدروژن

 

هیدروژن به میزان ۵ الی ۲۰ به داخل روکش آلیاژ زیرکونیوم پخش می شود و تشکیل هیدریدهای زیرکونیوم را می دهد.

 

روند تولید هیدروژن همچنین به صورت مکانیکی روکش میله ها را ضعیف می کند زیرا هیدریدها از شکل پذیری و چگالی کمتری نسبت به زیرکونیوم یا آلیاژهای آن برخوردار هستند و بنابراین بر اثر تجمع هیدروژن، تاول و ترک ایجاد می شود.

 

این فرآیند همچنین با عنوان تردی هیدروژن شناخته می شود. گزارش شده است که غلظت هیدروژن درون هیدریدها نیز به محل هسته رسوبات بستگی دارد.

 

در صورت از دست دادن روندخنک کننده (LOCA) در یک راکتور هسته ای آسیب دیده، شکنندگی هیدروژن، تخریب روکش آلیاژ زیرکونیوم میله های سوخت را که در معرض بخار دمای بالا قرار دارند را تسریع می کند.

 

کاربردهای آلیاژ زیرکونیوم

 

کاربردهای آلیاژ زیرکونیوم

 

آلیاژهای زیرکونیم مقاوم در برابر خوردگی و زیست سازگار هستند، بنابراین می توانند برای کاشت بدن استفاده شوند.

 

در یک کاربرد خاص، یک آلیاژ Zr-2.5Nb به یک کاشت زانو یا مفصل ران تبدیل می شود و سپس اکسید می شود و یک سطح سرامیک سخت برای کاربرد و مقاومت در برابر یک جزء پلی اتیلن تولید می کند.

 

این ماده یعنی آلیاژ زیرکونیوم اکسید شده، خواص سطح مفید سرامیک یعنی کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت در برابر سایش را فراهم می کند، در حالی که خواص اولیه مفید فلز زیرین را حفظ می کند.