В настоящей работе исследовались условия получения и свойства плавленого карбида циркония, который представляет интерес с точки зрения  применения его для создания высокотемпературной керамики [1]. Кроме того, карбид циркония представляет интерес с точки зрения изготовления из него конструционных материалов ядерных реакторов вследствие его малого сечения поглощения нейтронов [2]. В последнем случае очень важное значение приобретает наличие пористости в изделиях, которая может быть накопителем изотопов газов – продуктов деления ядерного топлива, обладающих большим сечением поглощения нейтронов. В целом это может быть причиной отравления  активной зоны ядерных реакторов и, как следствие, снижение их мощности. С этой точки зрения значительный интерес представляют плавленые тугоплавкие соединения, в том числе  карбид циркония, которые, как показано в работах [3], имеют стопроцентную плотность и практически не содержат примесей.

Исходя из анализа данных о поведении карбидов при температурах превышающих температуру их плавления плавленый карбид циркония с различным содержанием углерода в области его гомогенности получали плавкой расходуемых электродов изготовленных из порошка исходного карбида в дуговой печи под давлением защитного газа (аргона) [3].

Кроме давления газа при плавке на степень разложения и последующего испарения газообразных продуктов разложения значительное влияние оказывает плотность тока дуги от которой зависит температура плазмы.

Исследованные условия получения плавленого циркония в области его гомогенности показало, что с уменьшением содержанию углерода в исходных карбидных фазах оптимальная плотность тока, необходимая  для их плавления, должна уменьшаться. Для карбида циркония была установлена аналитическая зависимость плотности тока от состава карбидной фазы, которая имеет вид:

I_ZrCx = 80K(1,1 – X),

где  Х – С/Ме;

К – масштабный коэффициент, который при диаметре электрода 20 мм равняется единице и с увеличением диаметра увеличивается.

В связи с изложенным получение карбидных фаз циркония в области их гомогенности проводили при давлении газа и плотностях тока дуги указанных в табл. 1.

Таблица 1 – Условия получения и состав плавленых карбидов циркония в области

Исследовалась микроструктура и некоторые механические свойства. Результаты представлены на рис. 1, 2.

Исследование микроструктуры показало, что образцы практически однофазны и не содержит пор и примесей. Следует отметить, что карбид циркония разного состава имеет различный размер зерен, который увеличивается с уменьшением содержания в нем углерода в пределах области гомогенности (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктура плавленых карбидных фаз циркония в области гомогенности (х360)

В работе на плавленых образцах определялись упругие свойства – модули Юнга, сдвига и всестороннего сжатия, а также коэффициент Пуассона. Указанные характеристики рассчитывались с использованием результатов измерения плотности и скорости распространения продольных и поперечных ультразвуковых волн [4, 5]. При этом использовались соотношения:

,   ,

где      и

,

где G – модуль сдвига, Па;

ρ – плотность образца композита, кг/м³;

V_lcp и V_toc средние значения продольной и поперечной скоростей ультразвуковых колебаний, м/с;

Е – модуль упругости;

В – модуль всестороннего сжатия, Па;

h – коэффициент Пуассона.

Зависимость рассчитанных характеристик карбидных фаз циркония в зависимости от содержания в них углерода представлена на рис. 2.

Анализируя полученные  результаты, можно сказать следующее, что в области гомогенности идет увеличение всех упругих характеристик, что в свою очередь, вызывает увеличение механических характеристик материала.

Рис. 2. Упругие характеристики плавленых карбидных фаз циркония в области его гомогенности.

Литература:

1. Lanin А. Thermal Stress Resistance of Materials / A. Lanin,  I. Fedik. – Springer Berlin Heidelberg,  2008. – 248 с.

2. Бела Т.С. Радиационный захват нейтронов: Справочник /Т.С. Бела, А.В. Игнатюк, А. Б. Пащенко, В. И. Пляскин . – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 248 с.

3. Степанчук А. Н. Прочностные и абразивные свойства плавленых тугоплавких соединений и инструментальных материалов на их основе /А.Н. Степанчук // Современные спеченные и твердые сплавы. Сб.трудов – К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2008. – С. 269 – 280

4. Bochko A.V. Elastic Constants and Elasticite Moduli of Cubic and Wurtzitic Boron Nitride / A.V. Bochko, O.I. Zaporozhets // Powder Metallurgy and Metal Ceramics.–1996.– N7–8. – P. 417 – 423.

5. Zaporozhets O.I. A technology for non-destructive testing of metalworks / О.I. Zaporozhets, A.V. Lichko, V.V. et al. // Met. Phys. Adv. Tech. – 1999. – 17. – P. 961 – 971.