تولید و خواص آلیاژهای زیرکونیوم

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 95 درصد وزنی زیرکونیوم و کمتر از 2 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.زیرکونیوم تجاری غیر هسته ای معمولاً حاوی 1-5 درصد هافنیوم است که سطح مقطع جذب نوترون آن 600 برابر زیرکونیم است.

بنابراین لازم است که هافنیم برای کاربردهای راکتور تقریباً به طور کامل و یا کمتر از 2 درصد حذف شود.آلیاژهای زیرکونیوم هسته ای بیش از 95 درصد زیرکونیم دارند و بنابراین بیشتر خواص آنها مشابه زیرکونیوم خالص است. در دمای زیر 1100 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 3 تا 5 میکرومتر تشکیل می گردند.