Изготовление из тугоплавких металлов патронов для термоэлектронных преобразователей

15.11.2019

Введение


Двухэлектродный термоэлектронный преобразователь — это прибор, вырабатывающий электрическую энергию для космических аппаратов, морских кораблей и других специальных объектов. Важность этого способа заключается в возможности использования ядерных источников тепловой энергии. В процессе работы преобразователя нагретый эмиттер испускает электроны, которые движутся к коллектору, обладающему меньшей работой выхода. Если замкнуть внешнюю цепь на нагрузку, то в ней потечет ток. Это создает возможности выработки электрической энергии. Для нейтрализации положительного пространственного заряда у поверхности эмиттера в вакуумном преобразователе в пространство между эмиттером и коллектором обычно вводят ионы цезия или другого элемента. Эти ионы способствуют повышению плотности тока эмиссии в промежутке между эмиттером и коллектором, равном ~ 0,25 мм или более. В вакуумных же термоионных преобразователях для создания высоких плотностей тока эмиссии необходимо межэлектродное расстояние сделать не более 0,025 мм). Наряду с этим цезий изменяет работу выхода эмиттера и коллектора таким образом, что плотность тока эмиссии возрастает.

Разность работ выхода покрытых цезием эмиттера и коллектора определяет выходное напряжение преобразователя, обычно не превосходящее 1 в. Однако плотности токов в цезиевом преобразователе могут достигать большой величины, так что при его работе в условиях цезиевой плазмы, в так называемом режиме дугового разряда, плотность тока эмиссии можно довести до уровня выше 5 а/см2.

Использование ядерного нагрева осуществляется путем введения делящегося материала внутрь эмиттера, обычно изготовляемого в виде цилиндрической капсулы. Батарея таких преобразователей, или термоэлектронных топливных элементов, может достичь критической массы и начнет выделять энергию. В зависимости от конструкции реакторов с батареями термоэлектронных топливных элементов охлаждение коллекторов может быть как жидкометаллическим, так и воздушным.

Термоэлектронный топливный элемент набирается из маленьких брикетов двуокиси урана, герметически изолированных эмиттирующей оболочкой. Каждый изолированный брикет представляет собой одну из термоэлектронных ячеек, электрически соединяемых между собой в батарею. Чтобы упростить многочисленные сварочные операции во время зачехления брикетов из UO2 эмиттирующим материалом, целесообразно иметь патроны из тугоплавких металлов. Эти патроны, заполненные брикетами из UO2, можно герметизировать, приварив к ним только крышку. Толщину стенки патронов целесообразно делать равной 0,5—1 мм с отношением высоты к диаметру не меньше 2. Предметом настоящей статьи является технология изготовления патронов различными методами и их качество. На фиг. 2.1 воспроизводятся снимки нескольких типичных патронов из молибдена и вольфрама.

Изготовление эмиттеров


Патроны из спеченного молибдена можно изготавливать непосредственно из целиковой болванки обработкой на токарном станке. Ho точить спеченный и деформированный вольфрам на станке обычным методом трудно из-за его высокой хрупкости. Установлено, что часовой обжиг спеченного и деформированного вольфрама в вакууме при 2000 С, что выше температуры его рекристаллизации, переводит в состояние, в котором его можно обрабатывать твердосплавным резцом. При этом необходимо следить, чтобы резец был острым, а срез гладким. Если срез широкий, то следует произвести промежуточный отжиг при 2000° С. Таким способом изготовляли патроны и крышки к ним.

Вольфрамо-рениевые сплавы поддаются обработке резанием труднее всех прочих материалов. Неизвестно, чем это объясняется: то ли присутствием сигма-фазы, то ли высокой прочностью сплавов.

Литой вольфрам после дуговой переплавки можно обрабатывать обычными методами без предварительной термообработки. Несмотря на крупнозернистость, вольфрам в этом состоянии мягче других сортов этого металла. Он обрабатывается почти так же, как высокопрочные стали. Поэтому при осторожной обработке из него можно непосредственно точить патроны и крышки к ним. Нa переплавленном литом вольфраме удавалось нарезать наружную резьбу и производить другие сложные операции по обработке поверхности. Однако в процессе обработки литой вольфрам твердеет и в нем возникают большие внутренние напряжения. Так, в стержне диаметром 12,7 мм и длиной от 25 до 13 мм сверлили отверстие диаметром 6,3 мм, затем стержень растачивали до 9,5 мм и, наконец, наружную цилиндрическую поверхность обтачивали до точного размера. При окончательной обработке деталь сломалась пополам с изломом перпендикулярно оси. При попытке сложить обе половинки вместе по поверхности излома выяснилось, что напряжения, вызвавшие излом, покоробили металл, так что края излома не стыкуются. По виду излома было очевидно, что разрушение произошло по границам зерен. Во избежание таких явлений при обточке больших поверхностей надо, по-видимому, производить промежуточные отжиги при 1800—2000° С.

Благодаря высокой производительности и точности большое распространение приобрели методы искровой обработки вольфрама и молибдена. В целях обработки катодных патронов, которые заполняются двуокисью урана и от которых требуется вакуумная плотность и непроницаемость для паров цезия, искровая обработка не годится. Все патроны, изготовленные по этому способу, давали трещины, начинающиеся на внутренней поверхности, которую обрабатывали искровым методом. Такие трещины бывают и мелкими (0,025—0,125 мм), и глубокими, проникающими через всю стенку толщиной 0,65 мм. Мелкие трещины выявляют посредством пластичных реплик. Обычно патроны сразу же по изготовлении не держат вакуума, даже если некоторые из них и бывают вакуумноплотными, но при последующих циклах нагрева и охлаждения трещины распространяются на всю толщину, делая деталь проницаемой. Причины растрескивания при искровой обработке не установлены. Металлографический анализ обработанной электроискровым методом бронзы показал, что на поверхности разреза трещины явно проходят по границам зерен.

Трещины, возникающие в бронзе, порождаются термическими напряжениями, возникающими из-за температурных градиентов, ибо в процессе искровой резки отдельные частички расплавленного металла какое-то мгновение соприкасаются с совершенно холодным металлом. Была установлена зависимость между напряжением при искровой резке и глубиной трещин. Несомненно, что большие напряжения, которые требуются для резки вольфрама, а также его высокая хрупкость создают при обработке гораздо больше трудностей, чем при обработке бронзы. He известно, удастся ли медленной искровой обработкой при низком напряжении изготовлять вольфрамовые патроны без трещин. Во всех случаях искровая обработка дает довольно грубую поверхность, требующую дополнительной доводки хонингованием.

Осаждение из газовой фазы


Изделия из тугоплавких металлов в виде гильз, труб и предметов иной формы можно получать осаждением из газовой фазы на соответствующую оправку. Для этого годятся такие летучие соединения, как гексахлориды, гексафториды), тетрафториды и гексакарбонилы, которые можно производить в относительно чистом виде. Технология процесса может быть разной, но обычно осаждают в стеклянной системе, внутри которой помещается оправка, нагреваемая индуктором до температур 250—1500° С в зависимости от используемого соединения, необходимой скорости осаждения и материала оправки. Давление паров соединения поддерживается низким (приблизительно равным атмосферному), а стеклянный контейнер имеет температуру, близкую к комнатной. В качестве газа-носителя чаще всего используется водород, поддерживающий восстановительную атмосферу. В одном из методов, позволяющих осаждать на трубах покрытия равномерной толщины, используется аппаратура, сконструированная на базе токарного станка, с индуктором, установленным на место резцодержателя. Таким образом, индуктор, проходя несколько раз через оправку, позволяет нанести равномерное покрытие по всей ее длине. Подобная технология позволяет получать более мелкозернистое покрытие, чем при непрерывном осаждении с неподвижным индуктором. Затем оправку растворяют специальным реагентом, не взаимодействующим с гильзой из тугоплавкого материала. Вольфрам после осаждения имеет вытянутые в радиальном направлении зерна столбчатой структуры. Порог хрупкости такого вольфрама превышает 300° С. рекристаллизация столбчатых кристаллитов в более равноосные зерна наблюдается после отжига в вакууме при 2000° С и сопровождается некоторым улучшением механических свойств. Микроструктура трубы, осажденной из газовой фазы, показана на фиг. 2.2.

Качество труб или гильз, осажденных из газовой фазы (особенно вольфрамовых), сильно зависит от технологии и часто бывает с переходом от образца к образцу разным по размерам и форме зерен, а также пористости изделий. Некоторые образцы непосредственно после осаждения обладают большой проницаемостью. Поверхность часто бывает волнистой, а толщина стенок неравномерной. Трубам, которые осаждали методом многослойных покрытий с извлечением образца из камеры после нанесения каждого слоя, свойственно слабое сцепление между слоями. Такие покрытия проявляют тенденцию к отслаиванию. Осаждать можно либо на внутреннюю, либо на наружную сторону оправки в форме трубы в зависимости от того, какая сторона считается более важной. Когда же требуется чистота обеих поверхностей, можно прибегнуть к наружному осаждению с последующим шлифованием наружной поверхности. Гильзы, осаждаемые из газовой фазы, тоже сильно различаются между собой по пригодности к их завариванию в капсулы).

Как недавно установлено, вольфрамовый эмиттер, осажденный из газовой фазы, обладает текстурой (преимущественной ориентацией), что делает его эмиссию в цезии более однородной, чем у обычного поликристаллического металла. Регулируя температуру и химический состав в процессе осаждения эмиттера, можно контролировать его эмиссионные свойства.

Сварка


Патроны можно изготовить из трубок, приварив к ним донышко. Последующая приварка крышки обеспечивает герметизацию капсулы с таблетками ядерного топлива. Поэтому свариваемость вольфрама, молибдена, рения и их сплавов играет большую роль. Все эти металлы свариваются. Молибден сваривается электронно-лучевой или аргонодуговой сваркой, причем лучшие сорта молибдена (дуговой выплавки или зонной очистки) сохраняют после сварки пластичность. Рений легко сваривается тем и другим способом. Вольфраморениевые сплавы с оптимально высоким содержанием рения (24—26%) свариваются с трудом из за гетерогенности их структуры (наличия сигма фазы). Сварной шов в сплаве вольфрама с 26% рения обычно бывает более однородным, чем основной металл, из-за растворения сигма-фазы, но переходная зона между сварным швом и остальным металлом охрупчивается.

Из всех тугоплавких металлов вольфрам сваривается хуже всех и обладает после сварки наихудшими свойствами. Зона сварки получается крупнозернистой с порогом хрупкости выше 300° С. Вопрос о свариваемости вольфрама во многом остается неясным. Однако все сорта вольфрама поддаются сварке в тонких слоях (от 0,5 до 1,0 мм), что достаточно при изготовлении эмиттерного патрона. Для этого пригодны оба способа — аргонодуговая сварка с нерасходуемым электродом и электроннолучевая сварка. Хотя электронно-лучевая сварка, вообще говоря, предпочтительнее, вполне удовлетворительные для этих целей результаты дает и аргонодуговая сварка. При сварке вольфрама, полученного методами порошковой металлургии или осаждением из газовой фазы, наличие абсорбированных газов или пористости может приводить к образованию в шве пор и раковин, причем подобные дефекты сильнее выражены при электронно-лучевой сварке в вакууме, чем при дуговой сварке под атмосферным давлением инертного газа.

В нашей лаборатории соблюдались следующие условия сварки:

а) сварочную камеру заполняли аргоном или гелием до давления на несколько миллиметров выше атмосферного и очищали нагретой кальциевой стружкой, находившейся в открытом сосуде;

б) сварку всех материалов толщиной 0,25—1,00 мм осуществляли заостренным электродом торированного вольфрама диаметром 1,0—1,5 мм;

в) сварку производили отрицательным электродом от стандартного сварочного аппарата постоянного тока сварочным током 40—60 а при напряжении 10—15 в;

г) свариваемую гильзу или трубку крепили в кулачковом патроне, вращающемся с очень маленькой скоростью (4—6 об/мин), а сварочным электродом оператор действовал вручную;

д) непосредственно в процессе сварки вся гильза или трубка нагревается до 1500° С или несколько выше, а при сварке гильз, содержавших UO2, в патроне устанавливали медный холодильник, поддерживавший температуру ниже 800° С.

Ни одно из этих условий не требует строгого соблюдения, так что качество сварки во многом зависит от мастерства сварщика.

Сварщику надо избегать образования провисающей ванны, что дает слишком большой наплавочный валик и очень часто приводит к его растрескиванию. Столь же опасна и слишком мелкая ванна. Трудности возникают и тогда, когда свариваются два разных сорта вольфрама с разнородной структурой.

Хороший шов, хотя и слишком крупнозернистый, показан на фиг. 2.3. В этом случае трубка и донышко были изготовлены из порошкового, спеченного и деформированного вольфрама. Как оказалось, одно- или двухчасовой отжиг патронов или капсул после их сварки при температурах 2000—2300° С в вакууме несколько повышает их качество. Такая термообработка особенно важна при соединении разных сортов вольфрама.

В Хэнфордских лабораториях в настоящее время разрабатывается новый простой метод сварки вольфрамовых и молибденовых труб встык и внахлестку (частное сообщение Эванса). Этот способ сварки с использованием магнитного регулятора позволяет очень быстро производить контактную сварку большим сварочным током. Регулирование сварочного тока осуществляется магнитным полем, воздействующим на патрон, в котором зажата деталь. Подобный способ сварки успешно применяется для сварки разных по природе материалов: графита, спеченного алюминиевого порошка (САП), различных тугоплавких соединений. Основное достоинство сварки вольфрама магнитным методом состоит в том, что зона сварки мала, а ее нагрев происходит очень быстро, что предотвращает рост зерна. Качество сварных швов в вольфраме при таком способе пока не изучено.

Новейшие методы сварки трением для вольфрама оказались непригодными, так как он слишком хрупок, чтобы противостоять воздействию сил, возникающих при сварке трением. Однако неизвестно, какие сорта вольфрама сваривались такими способами, так что в этом направлении, по-видимому, необходимы новые исследования.

Вольфрам, предназначающийся для использования при очень высоких температурах в соплах ракет, успешно паяли твердым припоем. Наилучшее качество соединения получается тогда, когда изделия после пайки подвергают отжигу, обеспечивающему диффузионное проникновение наплавочного материала в вольфрам. Маловероятно, чтобы такой метод можно было бы использовать для необходимых в эмиттерах тонких сечений, сохраняя при этом нужную чистоту и требующуюся величину работы выхода вольфрама. Некоторые из исследовавшихся способов пайки могут оказаться пригодными для других деталей термоэлектронного преобразователя.

Пластическая деформация


В настоящее время методами прессования и горячей обработки давлением в опытных масштабах изготавливают тонкостенные бесшовные трубы. Пo качеству такой материал годится, вероятно, для использования в термоэлектронном преобразователе, но его свойства и свариваемость еще не исследованы. Такие трубы имеют то преимущество, что они мелкозернисты и характеризуются стабильностью структуры и свойств.

В настоящее время предпринимаются попытки изготовлять патроны выдавливанием из высококачественного листового вольфрама электронно-лучевой выплавки. Первые сообщения (частное сообщение Маккерни) свидетельствуют о том, что выдавливание возможно, но в этом процессе имеется много трудностей, связанных с высаживанием оправки и подбором смазки для удаления последней.

Обсуждение результатов


Эмиттерные гильзы из тугоплавких металлов для термоэлектронных преобразователей успешно изготавливаются, но их свойства оставляют желать много лучшего в отношении таких качеств, как однородная мелкозернистая структура и пластичность. Вольфрам относится к наиболее трудным для обработки металлам и, вероятно, в ближайшее время пока таковым и останется. He удалось еще достигнуть пластичности при комнатной температуре поликристалличеcкого вольфрама и сделать порог хрупкости ниже 300° С для сварных изделий крупнозернистой структуры или осажденного из газовой фазы вольфрама со столбчатой структурой. Высокий порог хрупкости, обусловленный, по-видимому, выделением различных примесей по границам зерен, остается, вероятно, одной из трудных проблем технологии вольфрама. Возможными направлениями улучшения качества вольфрамовых эмиттеров надо считать зонную очистку или выращивание монокристаллов, но расходы на это вряд ли окупятся.

Необходимо добиться улучшения качества и однородности осажденного из паровой фазы вольфрама. Осаждение из газовой фазы — один из самых перспективных способов получения мелкозернистой структуры, оптимально ориентированной с точки зрения термоэмиссии. В недалеком будущем вольфрамовые гильзы хорошего качества можно будет изготовлять и такими методами обработки, как прессование и выдавливание из листа. Процессы сварки нуждаются в гораздо более детальном исследовании.

Методы изготовления патронов на токарном станке подлежат усовершенствованию, но вряд ли станут основным способом их производства.

Несмотря на скудость наших познаний в области технологии изготовления патронов из тугоплавких металлов, хорошие эмиттерные капсулы, вполне пригодные для использования их в ядерном термоэлектронном преобразователе, уже изготовляются. На фиг. 2.4 показан вольфрамовый эмиттер, наполненный двуокисью урана, который проработал в реакторе 224 час (из них 110 час с отбором вырабатываемой энергии мощностью свыше 4 вт/см2). После извлечения из аппарата капсула оставалась герметичной. Максимальная рабочая температура достигала 2000 С. Во время опыта несколько раз производилась быстрая остановка реактора. Прекращение работы аппарата было вызвано утечкой цезия через зажимную трубку, но не выходом из строя вольфрамового эмиттера.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна