CHARAKTERYSTYKA ZMIAN STRUKTURALNYCH W WARSTWIE POŁĄCZENIA SPAJANYCH WYBUCHOWO BIMETALI

Transkrypt

1 Mariusz Prażmowski 1, Henryk Paul 1,2, Fabian Żok 1,3, Aleksander Gałka 3, Zygmunt Szulc 3 1 Politechnika Opolska, ul. Mikołajczyka 5, Opole. 2 Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, ul. Reymonta 25, Kraków 3 Zakład Technologii Wysokoenergetycznych EXPLOMET, ul. Oświęcimska 121H, Opole, CHARAKTERYSTYKA ZMIAN STRUKTURALNYCH W WARSTWIE POŁĄCZENIA SPAJANYCH WYBUCHOWO BIMETALI

2 Schemat reaktora PWR materiały stosowane na elementy konstrukcyjne [1]. [1] T. Allen, J. Busby, M. Meyer, D. Pettic: Materials chellenges for nuclear system, Materials Today, December 2010, vol 13, nr 12.

3 Zgrzewanie wybuchowe Technologia zgrzewania wybuchowego jest procesem łączenia metali pod wpływem zderzenia z dużymi prędkościami (pod dużym ciśnieniem), wywołanymi kontrolowaną detonacją ładunku wybuchowego. Front detonacji - WYBUCH MATERIAŁ WYBUCHOWY np. blacha Zr, Cu, itp.. MATERIAŁ NAKŁADANY - MATERIAŁ PODSTAWOWY - np. blacha stal, Al. itp. PODŁOŻE np. pryzma z piasku

4 Stopy Zr w budowie reaktora jądrowego Charakterystyka Zr: Nieprzepuszczalność produktów rozszczepienia, Odporność na uszkodzenia radiacyjne, Niska aktywność przy napromieniowaniu neutronami, Dostateczna wytrzymałość mechaniczna, Niska prędkość pełzania w wysokich temperaturach, Dostateczna przewodność cieplna, Bardzo powolne wchodzenie w reakcję z paliwem i chłodziwem.

5 Stopy Zr w budowie reaktora jądrowego Stop Skład chemiczny [%] Własności mechaniczne R m R 0,2 A A 300 C Zircaloy-2 Sn = 1,2 1,7 Cr = 0,05 0,15 Fe = 0,07 0,20 Ni = 0,03 0,08 N = 0,03 0,08 O = 0, Zircaloy-4 Sn = 1,1 1,5 Cr = 0,06 0,14 Fe = 0,20 0,24 N < 0,01 O = 0,10 0,16 Zr+1%Nb Nb = Zr+2,5%Nb Nb =2, Zr+5%Nb Nb = Źródło: Melechow R., Tubielewicz K.: Materiały stosowane w energetyce jądrowej, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej Zircadyne (Zr 700) C=0,05 Fe,Cr=0,2 H=0,005 Hf=4,5 N=0,025 O=0,

6 Materiał do badań

7 Badania własności mechanicznych

8 Mikrostruktura materiałów wyjściowych Struktura materiałów w stanie wyjściowym: (a) Zr 700, (b) stal P 355. Pow. 100x

9 Badania mikrostruktury Charakterystyka strefy złącza w zależności od zastosowanych parametrów wybuchu: (a) 3h, (b) h, (c) 2h, (d) 1,5 h.

10 Badania mikrostruktury Podstawowe parametry złącza: H wysokość fali, L długość linii złącza, n długość fali, P pole powierzchni przetopień. Parametry opisujące kształt fali oraz ilość strefy przetopionej. Numer płyty h 1,5 h 2 h 3 h Długość linii złącza L [ m] Średnia wysokość fali H [ m] Średnia długość fali n [ m] Sumaryczne pole pow. przetopień P [ m 2 ] Równoważna grubość przetopień RGP [ m] , , , ,20

11 Badania mikrostruktury Wpływ odległości początkowej na parametry granicy połączenia

12 Pomiar mikrotwardości Zmiany mikrotwardości mierzone wzdłuż 3 linii prowadzonych przez granicę rozdziału łączonych blach, dla wszystkich 4 przypadków, w odległości do 0.5mm od granicy połączenia. Obciążenie 50G.

13 Mikrotwardość w obszarze wydzieleń HV0,025 Przykład wykonanych pomiarów mikrotwardości w obszarze strefy przetopienia, obciążenie 50G. Mikroskopia świetlna.

14 Badania mikrostruktury Mikrostruktura w strefie połączenia, analiza SEM, obraz w elektronach wstecznie rozproszonych.

15 Zmiany składu chemicznego w warstwie połączenia Zmiany koncentracji Zr i Fe w obszarze połączenia. Analiza SEM, obraz w elektronach wstecznie rozproszonych. Mikroanaliza punktowa SEM/EDX

16 Wnioski i spostrzeżenia Przeprowadzone badania pozwoliły sformułować następujące wnioski: Możliwe jest wytworzenie bimetalu Zr stal technologią zgrzewania wybuchowego o dobrych własnościach mechaniczny, przy właściwym doborze parametrów procesu. Własności mechaniczne wytworzonych bimetali, tj. wytrzymałość na ścinanie RS oraz odrywanie Ro, są silnie uzależnione od odległości początkowej pomiędzy blachami; ich wartość zwiększa się wraz ze wzrostem odległości. Charakterystyczne parametry strefy połączenia, szczególnie ilość przetopień w złączu, są determinowane przez odległość początkową łączonych blach; zwiększanie odległości powoduje spadek wartości współczynnika RGP, tj. następuje zmniejszenie udziału objętościowego ilości stref przetopionych w obszarze połączenia.

17 Wnioski i spostrzeżenia Występowanie warstwy przetopionej w obszarze połączenia zmniejsza własności wytrzymałościowe bimetalu. W wyniku procesu zgrzewania wybuchowego następuje umocnienie obydwu łączonych materiałów w pobliżu granicy rozdziału, przy czym wyraźniej jest ono zaznaczone w stali a słabiej w Zr. Wielkość strefy umocnionej jest silnie przy tym determinowana odległością pomiędzy płytami. Największy wzrost umocnienia zarówno w płycie stalowej, jak i Zr występuje w obszarach bezpośrednio przyległych do granicy. Lokalne przetopienia prowadzą do tworzenia się różnego typu związków międzymetalicznych o składzie równowagowym jak również nie występującym na układzie równowagi Zr-Fe.

18 Badania platerów w Politechnice Opolskiej RODZAJE BADANYCH POŁĄCZEŃ ZGRZEWANYCH WYBUCHOWO: połączenia stal węglowa stal austenityczna typu 316L ; zastosowanie ściany sitowe, połączenia miedź tytan ; zastosowanie elektrody stałowymiarowe, połączenia stal węglowa miedź ; zastosowanie szyny prądowe, połączenia aluminium miedź ; zastosowanie elementy zacisków prądowych, połączenia stal węglowa tytan - aluminium ; zastosowanie łączniki spawalnicze, połączenia stal austenityczna tytan, połączenia tytan nikiel; zastosowanie elementy elektrolizera membranowego.

19 Dziękuję za uwagę Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach jako projekt badawczy nr:nn