На семинаре отдела материаловедения 28 декабря 2012 г. с докладом о готовности своей диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук на тему «Влияние малых примесей на поверхностное натяжение свинца» выступил научный сотрудник лаборатории металлов и сплавов Хасанов А.И.

Актуальность темы. Надежные данные по поверхностному натяжению металлов и их сплавов необходимы для построения теории поверхностных явлений жидкометаллических систем, а также важны для оптимизации многих практически важных технологических процессов, таких как пайка, металлизация, получения новых композиционных материалов методом пропитки, для конструирования новых металлических теплоносителей. Несмотря на большой объем исследований поверхностных свойств металлических систем, влияние щелочных и щелочноземельных добавок на поверхностное натяжение свинца изучено пока недостаточно. В связи с развитием атомной энергетики в последнее время созданы новые реакторные высоконикелевые и ферритно-мартенситные стали однако политермы смачивания новых реакторных материалов свинцом и висмутом изучено недостаточно. Подобные данные необходимы для создания новых атомных реакторов на быстрых нейтронах.

Целью работы являлось исследование влияния малых примесей на плотность и поверхностное натяжение свинца и углы смачивания свинцовыми расплавами реакторных сталей.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

• Изучить влияние малых добавок серебра на политермы плотности и поверхностного натяжения свинца.
• Изучить влияние малых добавок никеля на политермы плотности и поверхностного натяжения свинца.
• Изучить влияние малых добавок кальция на политермы плотности и поверхностного натяжения свинца.
• Изучить политермы плотности и поверхностного натяжения свинец-висмутовой эвтектики.
• Установить температурные зависимости углов смачивания расплавами свинец-висмут, свинец-литий стали 12Х18Н9Т.
• Установить температурные зависимости углов смачивания свинцом и висмутом новых реакторных высоконикелевых и ферритно-мартенситных сталей.
• Теоретически изучить влияние электромагнитных полей на капиллярное впитывание металлических систем.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

1. 1.Методом лежащей капли изучены политермы плотности и поверхностного натяжения (ПН) разбавленных расплавов свинец–серебро, свинец–никель, свинец–кальций, свинец–висмут в широком интервале температур. Политермы плотности и ПН систем расплавов свинец–серебро, свинец–никель, свинец–кальций описываются нелинейными уравнениями.
2. 2.Установлено, что политермы поверхностного натяжения расплавов систем свинец–серебро и свинец-никель проходят через максимум, что объясняется перераспределением примесных атомов между объемом и поверхностью расплава в соответствии с адсорбционным уравнением Гиббса.
3. 3.Изучены политермы углов смачивания расплавленным свинцом и висмутом новых высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей, обнаружены пороги смачивания.
4. 4.Изучены политермы углов смачивания графита свинцом и показано, что в исследованном интервале температур угол смачивания q140°.
5. 5.Изучены политермы углов смачивания стали 12Х18Н9Т расплавами Pb-Li и Pb-Bi.

Практическая ценность результатов:

Полученные экспериментальные данные по политермам плотности и поверхностного натяжения сплавов на основе свинца могут найти применение при разработке новых теоретических моделей поверхностных свойств жидкометаллических систем.

Результаты по политермам углов смачивания свинцом и висмутом новых реакторных сталей могут найти применение при создании энергетических установок нового поколения.

Результаты работы использовались в учебном процессе при чтении спецкурсов в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова и Чеченском государственном университете.

Достоверность основных результатов подтверждена их повторяемостью в идентичных условиях, а так же согласием с соответствующими данными других авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. 1.Данные по температурной зависимости плотности и поверхностного натяжения расплавов свинец–серебро, свинец–никель, свинец–кальций, свинец–висмут, свинец–литий (с малыми добавками второго компонента) в широком интервале температур;
2. 2.Наличие максимумов на температурных зависимостях поверхностного натяжения расплавов свинец–серебро и свинец-никель;
3. 3.Установленные пороги смачивания жидким свинцом и висмутом новых высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей.
4. 4.Установленные закономерности кинетики капиллярного впитывания металлических систем в электромагнитных полях.

Сплавы систем свинец–серебро, свинец–никель, свинец–кальций, свинец–висмут, свинец–литий готовились сплавлением исходных навесок в кварцевых ампулах в вакууме ~0,01 Па из свинца марки С0000 и серебра чистотой 99,99 мас. % или висмута марки В0000 чистотой 99,9999 мас.%. В процессе плавки расплав интенсивно перемешивался, затем закристаллизовывался. Получившийся слиток использовался для приготовления навесок для исследования ПН. Сплав свинец–висмут эвтектического состава готовился в Объединенном институте высоких температур РАН (г. Москва, Россия).

Измерения плотности и ПН металлических сплавов проводились на высокотемпературной установке методом большой лежащей капли при остаточном давлении газовой фазы 0,01 Па или в атмосфере гелия. В чашечку из графита капля сплава подавалась через кварцевую воронку с вытянутым капилляром.

При изучении процесса смачивания реакторных сталей свинцовыми расплавами использовались подложки размером 15?15 мм, предварительно отполированные и промытые в спирте и дистиллированной воде.

Фотографирование жидкой капли производилось с помощью цифрового аппарата. Перед фиксацией меридионального сечения, капля выдерживалась при заданной температуре 5 минут. Изображение капли далее обрабатывалось на персональном компьютере при помощи автоматизированного программного комплекса для определения теплофизических свойств жидкостей, применение которого позволило получить более надежные данные.

Выводы по работе

1. 1.Получены политермы плотности и поверхностного натяжения жидких сплавов на основе свинца с малыми добавками серебра, висмута, никеля и кальция. На политермах поверхностного натяжения сплавов систем свинец-никель, свинец-серебро и свинец – кальций обнаружены максимумы.
2. 2.С использованием автоматизированного программного комплекса уточнены данные по политермам плотности и поверхностного натяжения свинца, висмута и свинцово-висмутовой эвтектики. Полученные значения температурных коэффициентов поверхностного натяжения (ds/dT) и плотности согласуются с литературными и рекомендуемыми значениями, для эвтектики (Pb-Bi) ds/dT = – 0.071 мН/(м·K).
3. 3.Изучены политермы углов смачивания q расплавами свинец-висмут и свинец-литий стали 12Х18Н9Т. Показано, что с увеличением концентрации примесей и температуры углы смачивания уменьшаются. Установлены уравнения описывающие линейную зависимость q(t).
4. 4.Изучены политермы угла смачивания новых реакторных сталей жидкими свинцом и висмутом. Обнаружены пороги смачивания, обусловленные наличием оксидных пленок. Показано, что стали марки ЭК-181 (с максимальным содержанием кремния – 0.мас.%), марки ЭП-450 (с высоким содержанием кремния – 0.20 мас.%) и марки ЭК-173 (с максимальным содержанием алюминия – 1.2 мас.%) не смачиваются свинцом до 700?750°С.

Также плохо эти стали смачиваются висмутом до 650 – 700 °С. Это объясняется тем, что примеси Al и Si за счет поверхностной и зернограничной сегрегации накапливаются на межфазных границах, где образуют защитные оксидные пленки. Таким образом, стали марок ЭП-450 и ЭК-173 более устойчивы к растворению в расплавленных свинце и висмуте при высоких температурах.

1. 5.Показано отсутствие межфазного взаимодействия между чистыми свинцом и графитом (q>140°) в широком интервале температур.
2. 6.Получено выражение для кинетики капиллярного впитывания проводящей жидкости в магнитном поле. Показано, что с увеличением напряженности магнитного поля скорость капиллярного впитывания в рассмотренных случаях снижается.

      В обсуждении доклада приняли участие д.т.н. Муртазаев С.-А. Ю., Батаев Д.К.-С., д.х.н. Хасбулатова З.С., к.ф.-м.н.  Озниев Д. Т., Успажиев Р.Т., которые задали вопросы докладчику и высказали ряд замечаний. которые несомненно помогут молодому ученому.