Расплав для алитирования металлов и сплавов

Скачать ZIP файл.

Формула

1. Расплав для алитирования, преимущественно урана и его сплавов, содержащий эвтектическую смесь хлоридов щелочных и/или щелочно-земельных металлов, фторид алюминия и алюминийсодержащее вещество, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества покрытия за счет получения плотно сцепленного с основой слоя, он дополнительно содержит фторид щелочного металла, а в качестве алюминийсодержащего вещества используется порошкообразный алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

фторид алюминия5-10
порошок алюминия 5-10
фторид щелочного металла 5-10
эвтектическая смесь
хлоридов щелочных и/или
щелочно-земельных металлов остальное

2. Расплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве фторида щелочного металла используется фторид натрия.

3. Расплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве фторида щелочного металла используется фторид лития.

4. Расплав по л.1, отличающийся тем, что в качестве эвтектической смеси хлоридов щелочных и/или щелочно-земельных металлов используется смесь хлоридов бария, натрия и калия.

5. Расплав по п.1, отличается тем, что в качестве эвтектической смеси хлоридов щелочных и/или щелочно-земельных металлов используется смесь хлоридов лития и калия.

Описание

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов и сплавов и может быть использовано в атомной энергетике для нанесения покрытий на уран, сплавы на его основе и изделия из них с целью защиты от окисления при длительном хранении, механической обработке и при работе в агрессивных средах, а также для создания новых конструкций твэлов.

Эта задача может быть решена использованием электрохимического способа нанесения покрытий в водных или неводных электролитах на промежуточные подслои между ураном и алюминием [1-3, 4, 5].

Недостатками указанных способов являются как наводораживание покрываемой поверхности, что приводит к быстрому разрушению покрытий при нагревании, особенно при термоциклических нагрузках, так и необходимость тщательной подготовки ее перед процессом, стравливание большого количества урана с поверхности (от 3 до 11 операций при травлении) и использование токсичных электролитов в некоторых случаях.

Диффузионные способы позволяют получать более плотные и равномерные по толщине покрытия, чем электрохимические. Однако и для них требуется специальная подготовка поверхности урана: травление, нанесение промежуточных слоев [3, 7, 6]. В литературе описаны также способы получения алюминиевых покрытий на уране электролизом расплавленных хлоридных солей [9, 8]. Недостатками этих способов являются необходимость пропускания водорода через расплав, взрывоопасность, применение дополнительных электродов, в том числе из платины, что приводит к усложнению конструкции ванны и необходимости использования драгметаллов.

Известны хлоридно-фторидные расплавы, используемые для нанесения покрытий на ряд металлов из расплавленных солевых сред бестоковым методом [10-11]. В отличие от описанных газовых, паровых, электролизных способов жидкостный (бестоковый) метод использует более простые установки, позволяет совмещать насыщение с термообработкой, исключает наводораживание, упрощает подготовку поверхности, доступен в производственных условиях.

Недостатком этих расплавов является наличие более электроотрицательного потенциала урана и его сплавов и невозможность получения алюминиевого покрытия на них.

Целью предлагаемого изобретения является подбор такого состава солевого расплава, в котором происходило бы бестоковое насыщение поверхности образцов из урана или его сплавов алюминием с образованием плотно сцепленного с основой диффузионного защитного слоя.

Поставленная цель достигается тем, что к хлоридно-фторидному расплаву для алитирования, содержащему смесь хлоридов щелочных и/или щелочно-земельных металлов 50-98 мас.%, фторид алюминия 50-98 мас.%, порошковый поставщик алюминия 1-30 мас.% [12] - прототип, добавляют фториды щелочных металлов в количестве 5-10 мас.% для получения отношения концентраций ионов фтора к ионам алюминия более 3,6.

Кинетика бестокового алитирования урана в предложенном расплаве зависит от концентрации фторида щелочного металла в расплаве, температуры и времени насыщения. Алюминиевые покрытия были получены в расплавах на основе смесей хлоридов щелочных и/или щелочно-земельных металлов.

Пример 1. В расплав, содержащий 80 мас.% эвтектической смеси хлоридов бария, натрия и калия, 5 мас.% фторида алюминия поставщик - 5 мас.% порошка алюминия и 10 мас.% фторида натрия, погружали образцы металлического урана после шлифовки поверхности на наждачной бумаге М28, выдерживали в расплаве при 580°С 1 час без защитной атмосферы. На поверхности получено покрытие состава UAl2 толщиной 60-70 мкм.

Пример 2. В расплав, содержащий 85 мас.% эвтектической смеси хлоридов бария, натрия и калия, 5 мас.% фторида алюминия, поставщик - 5 мас.% порошка металлического алюминия и 5 мас.% фторида натрия, погружали образцы металлического урана при 580°С и выдерживали их в расплаве в течение 1 часа на воздухе. На поверхности урана образовался слой покрытия UAl2 толщиной 50 мкм.

Пример 3. В расплав, содержащий 79,06 мас.% эвтектической смеси хлоридов натрия, калия и бария, 6,27 мас.% фторида натрия, 5,22 мас.% фторида алюминия и поставщик - 9,45 мас.% из смеси порошков алюминия и железа, опустили образец из сплава U - 10% Mo и выдержали его в течение 2 часов при 590°C. На поверхности образца образовался слой покрытия состава UAl2 толщиной 7-14 мкм.

Призер 4. В расплав, содержащий 76,5 мас.% эвтектической смеси хлоридов натрия, калия и бария, 5 мас.% фторида алюминия, 5,65 мас.% фторида натрия, поставщик - 12,85 мас.% из смеси порошков алюминия и железа, погрузили образцы из сплава U - 10% Mo и выдержали их в расплаве в течение 4 часов при 620°C. На поверхности образцов образовался слой покрытия толщиной 80 мкм состава UAl2.

Примечание: В примерах 3 и 4 в расплав в качестве поставщика алюминия добавляли смесь порошков железа и алюминия для увеличения длительности службы расплава за счет снижения укрупнения порошка при температурах выше 600°.

Пример 5. Также алюминиевые покрытия на уране и сплавах были получены в расплавах на основе щелочных металлов.

В расплав, содержащий 84 мас.% эвтектической смеси хлоридов лития и калия, 5 мас.% фторида алюминия, поставщик - 5 мас.% алюминиевого порошка и 6 мас.% фторида лития, погружали образцы сплава U - 10% Mo при 550°C и выдерживали их в течение 5 часов при непрерывном перемешивании расплава. На поверхности сплава образовался слой покрытия состава UAl2 толщиной 25 мкм. При увеличении времени выдержки до 8 часов толщина покрытия увеличивалась до 60 мкм, а при выдержке 9 часов - до 110 мкм.

Опыты показали, что алитирование урана и его сплавов можно проводить в открытой ванне в атмосфере воздуха без предварительной подготовки поверхности образцов. Содержание добавки фторида щелочного металла может меняться в пределах от 5 до 10 мас.%. При меньших добавках фторида щелочного металла покрытия на уране не образуется, а при больших - происходит слипание (окомкование) алюминиевого порошка и снижение скорости процесса. Кроме того, увеличение содержания фторидных солей (более 10 мас.%) повышает температуру плавления солевой смеси.

Из приведенных примеров видно, что введение фторида щелочного металла в хлоридно-фторидный расплав, позволяет получить диффузионные покрытия на уране и его сплавах. Алитированные образцы были подвергнуты испытаниям на термостойкость при постоянной температуре, при быстром изменении ее от 600°С до 20°С (и обратно) в атмосфере воздуха и на водородную коррозию при PH=4 атм и температуре 400°С. Результаты испытаний положительные. Жаростойкость образцов при 600°C увеличилась в 10 раз при выдержке 4 часа.

Предлагаемый состав расплава пригоден для получения диффузионных покрытий не только на уране и его сплавах, но и на всех тех металлах, которые алитируются в расплаве, не содержащем добавок фторида щелочного металла, и обладает следующими преимуществами:

- отсутствие необходимости в какой-либо специальной подготовке поверхности покрываемых образцов, возможность организации процесса в ваннах открытого типа;

- процесс легко контролируется и не требует высокой квалификации обслуживающего персонала;

- расплав применим для бестокового и электролизного осаждения алюминия на уран.

В промышленности используются, в основном, электрохимические методы защиты урана, но повышение требований к качеству и надежности изделий требует их замены на диффузионные, позволяющие получать более плотные и равномерные покрытия. Подсчитать экономический эффект от внедрения этого предложения на данном этапе не представляется возможным.

Источники информации

1. Martin Е., 998387, C23c 9/00, oпубл. 14.07.1965.

2. USA EC, 2500541, C25d 11/26, oпубл. 17.07.1965.

3. Сокурский Ю.Н. и др. "Уран и его сплавы", М., Атомиздат, 1971, 408.

4. Ройх П.Л., Новиков Н.Н. "Порошковая металлургия", 1975, 8, 3.

5. Bland R.D. "Electr. Techn." 1968, 6, 7-8, 272.

6. Nippon Kokan K.K. 1496936, C23b 5/62, oпубл. 25.12.1970.

7. Мацусита дэнки санчё K.K. 45 - 1727, 5/22, oпубл. 21.01.1970.

8. Akira Miyata and 3480521, C23b, 5/22, опубл. 25.11.1969.

9. Beach J.G., Faust C.L. "J. Electroch. Soc." 1959, 106, 8, 654.

10. Илющенко Н.Г. и др. 240445, C23c 9/02, опубл. 21.03.1969; 341875, С23с 9/02, опубл. 14.06.1972.

11. Илющенко Н.Г. и др. 396443, С23с 9/02, опубл. 29.08.1973.

12. Илющенко Н.Г. и др. "Исследование взаимодействия Me в расплавленной солевой среде". Отчет 5266134, Свердловск, 1972 - прототип.

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и сплавов, в частности к расплаву для алитирования, преимущественно урана и его сплавов. Расплав содержит эвтектическую смесь хлоридов щелочных и/или щелочно-земельных металлов, фторид алюминия и алюминийсодержащее вещество. При этом он дополнительно содержит фторид щелочного металла. В качестве алюминийсодержащего вещества использован порошкообразный алюминий. Техническим результатом является улучшение качества покрытия за счет получения плотно сцепленного с основой слоя. 4 з.п. ф-лы, 5 пр.

Заявка

2288354/02, 08.10.1980

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук

Комаров В. Е, Алексеев В. Н, Беляева Г. И, Шелободько А. Г, Безденежных Г. В, Зудихин А. М

МПК / Метки

МПК: C23C 2/12

Метки: металлов, сплавов, алитирования, расплав

Опубликовано: 20.08.2012

Код ссылки

<a href="http://patents.su/6-1840839-rasplav-dlya-alitirovaniya-metallov-i-splavov.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Расплав для алитирования металлов и сплавов</a>

Похожие патенты