Исследование вязкости жидких металлов

Шпильрайн Э.Э., Фомин В.А. и др.

Наука, 1983 г.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ С КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных проблем высокотемпературной вискозиметрии жидких металлов является выбор конструкционных материалов, работающих в контакте с жидким металлом. Важным требованием, предъявляемым к материалам, является их коррозионная стойкость, так как коррозия в жидкометаллической среде имеет ряд принципиальных отличий по сравнению с коррозией, например, в воде и газах [1—12].

Использование жидких металлов в высокотемпературных технологических процессах предполагает применение в качестве конструкционных материалов коррозионно-устойчивых в их среде металлов. Поэтому вопросу изучения взаимодействия конструкционных металлов с жидкими и особенно с щелочными металлами посвящено значительное количество работ.

Механизмы взаимодействия твердого и жидкого металлов можно разделить на химическое взаимодействие и растворение. В первом случае результатом взаимодействия является образование интерметаллического соединения. Если же в жидком металле присутствуют газовые примеси, то продуктом реакции могут быть как сложные комплексные соединения, так и более простые — окислы, нитриды и т. д. Как известно [7], скорость химического взаимодействия зависит от скорости подвода реагирующего вещества к поверхности реакции, скорости реакции и скорости отвода образовавшегося химического соединения (наименьшая из указанных скоростей определяет скорость процесса в целом). В этом плане большую роль играет образующаяся на поверхности твердого металла пленка продуктов коррозии, затрудняющая перемещение атомов жидкого металла или примесей к поверхности конструкционного материала.

При взаимодействии по типу растворения возможно взаимное растворение твердого металла в жидком, и наоборот, а если возможно образование между ними твердых растворов, то существенную роль будут играть диффузионные процессы.

В таких условиях наличие коррозионных процессов должно приводить к существенным изменениям вязкости жидких металлов.

СЕЛЕКТИВНАЯ КОРРОЗИЯ

Она наблюдается в том случае, если один из компонентов сплава растворяется в жидком металле быстрее, чем остальные компоненты [3.2]. В связи с этим переход в жидкометаллический

раствор легкорастворимого компонента через некоторое время определяется его диффузией из внутренних слоев твердого металла. В результате процесса растворения относительно труднорастворимых компонентов фронт коррозии распространяется за время tна глубину h_x(рис. 2.2); вследствие же диффузии легкорастворимого компонента на поверхности твердого металла образуется слой с пониженным содержанием этого компонента глубиной h₂. Образование данного слоя приводит в ряде случаев к фазовым превращениям. Отмечалось превращение аустенита в феррит в поверхностном слое хромоникелевых жаропрочных сталей после коррозии в свинце, висмуте и литии [10, 15, 25]. Слой с пониженным содержанием легкорастворимого в жидком металле компонента называется зоной селективной коррозии.

В ряде работ [33—39] исследовалась коррозия хромоникелевых сталей в жидком натрии. Рабочие температуры практически во всех работах находились на уровне около 550^° С (в [36] — 700°С), процесс коррозии наблюдался на фоне содержания кислорода в натрии около 6—7 млн^-1 по массе.

В [25] приводятся результаты исследований растворимости различных металлов в жидких щелочных металлах (табл. 2.2).

При контакте жидкого лития с хромоникелевыми сталями наблюдается преимущественное растворение из поверхностных слоев никеля и хрома, так как они имеют более высокую растворимость, чем основа сплава — железо.

ПРОЦЕССЫ КОРРОЗИИ В ПРИСУТСТВИИ ПРИМЕСЕЙ

Растворимость твердых металлов или иных конструкционных материалов в жидких металлах определяется в первую очередь химическими свойствами металла-растворителя и материала контейнера, а также зависит от наличия в системе различных примесей [10, 25]. Наиболее сильное влияние на растворимость оказывают неметаллические примеси (кислород, азот, углерод, водород). В их присутствии процесс растворения существенно осложняется, что связано, с одной стороны, с возможностью возрастания концентрации растворяемого металла в жидкой фазе вследствие дополнительного взаимодействия, с другой стороны, не исключена возможность образования сложных окислов, нитридов и других соединений, которые могут частично растворяться в жидком расплаве, а частично находится в твердой фазе в виде пленки на поверхности конструкционного материала. Механизм взаимодействия в жидкометаллических системах в настоящее время надежно не установлен, хотя в последние годы в этом отношении достигнут значительный прогресс.

При исследовании растворимости твердых металлов в жидких, содержащих неметаллические примеси, необходимо обращать особое внимание на точность определения количества примесей в расплаве. Особо следует обратить внимание на зависимость растворимости примеси от концентрации других неметаллических примесей.

ВЛИЯНИЕ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Длительный контакт конструкционных материалов с жидкими щелочными металлами приводит к изменению их структуры и механических свойств. Для тугоплавких металлов характерно образование твердых растворов и выделение избыточных фаз при поглощении неметаллических примесей, сопровождающееся снижением их пластичности и увеличением прочности. Процессы, связанные с уменьшением концентраций примесей и проникновением щелочных металлов в ниобий и тантал, ведут к разупрочнению [25, 48]. Выдержка при высоких температурах в среде натрия аустенитной стали может приводить к образованию карбидов, нитридов, интерметаллидных фаз и к изменению химического состава стали. Поверхностный слой в этом случае обедняется никелем, хромом, марганцем и кремнием [36], в результате чего происходит образование α-фазы как на поверхности, так и по границам зерен.