انواع آلیاژ زیرکونیوم

آلیاژهای زیرکونیوم به راحتی با اکسیژن واکنش نشان می دهند و یک لایه انفعال نازک نانومتر تشکیل می دهند. مقاومت در برابر خوردگی آلیاژها ممکن است در صورت وجود برخی ناخالصی ها (به عنوان مثال بیش از 40 ppm کربن یا بیش از 300 ppm ازت) وجود داشته باشد.مقاومت در برابر خوردگی آلیاژهای زیرکونیم با توسعه لایه انفعال ضخیم تری از اکسید زیرکونیوم براق سیاه افزایش می یابد. اکسیداسیون در هوا یا در آب با همان سرعت انجام می شود و در شرایط محیط یا در خلاء زیاد پیش می رود.

یک لایه نازک از زیر میکرومتر دی اکسید زیرکونیوم به سرعت در سطح تشکیل می شود و انتشار بیشتر اکسیژن به حجم عمده و اکسیداسیون بعدی را متوقف می کند. وابستگی میزان اکسیداسیون R به دما و فشار را نیز می توان بیان کرد.یک عیب زیرکونیوم فلزی این است که در صورت اتلاف حفره خنک کننده در یک راکتور هسته ای، روکش زیرکونیم به سرعت با بخار آب در دمای بالای 1230 درجه سانتیگراد واکنش نشان می دهد.

اکسید شدن زیرکونیوم توسط آب همراه با آزادسازی گاز هیدروژن است. این اکسیداسیون در دماهای بالا شتاب می گیرد، به عنوان مثال در داخل هسته راکتور اگر مجموعه های سوخت دیگر کاملاً توسط آب مایع پوشانده نشوند و به اندازه کافی خنک نشوند.زیرکونیوم فلزی توسط پروتون های آب اکسید شده و با توجه به واکنش ردوکس زیر، گاز هیدروژن تشکیل می دهد:

Zr + 2H2O → ZrO2 + 2H2

روکش زیرکونیوم در حضور اکسید دوتریم D2O که به عنوان تعدیل کننده و مایع خنک کننده در راکتورهای آب سنگین تحت فشار نسل بعدی که راکتورهای هسته ای طراحی شده توسط CANDU استفاده می کنند، اکسیداسیون یکسان را در معرض بخار اکسید دوتریم به شرح زیر بیان می کند:

Zr + 2D2O → ZrO2 + 2D2

این واکنش گرمازا، اگرچه فقط در دمای بالا رخ می دهد، اما مشابه فلزات قلیایی (مانند سدیم یا پتاسیم) با آب است. همچنین شباهت زیادی به اکسیداسیون بی هوازی آهن توسط آب دارد.هیدروژن به میزان 5 الی 20 به داخل روکش آلیاژ زیرکونیوم پخش می شود و تشکیل هیدریدهای زیرکونیوم را می دهد.

روند تولید هیدروژن همچنین به صورت مکانیکی روکش میله ها را ضعیف می کند زیرا هیدریدها از شکل پذیری و چگالی کمتری نسبت به زیرکونیوم یا آلیاژهای آن برخوردار هستند و بنابراین بر اثر تجمع هیدروژن، تاول و ترک ایجاد می شود.

این فرآیند همچنین با عنوان تردی هیدروژن شناخته می شود. گزارش شده است که غلظت هیدروژن درون هیدریدها نیز به محل هسته رسوبات بستگی دارد.در صورت از دست دادن روندخنک کننده (LOCA) در یک راکتور هسته ای آسیب دیده، شکنندگی هیدروژن، تخریب روکش آلیاژ زیرکونیوم میله های سوخت را که در معرض بخار دمای بالا قرار دارند را تسریع می کند.

آلیاژهای زیرکونیم مقاوم در برابر خوردگی و زیست سازگار هستند، بنابراین می توانند برای کاشت بدن استفاده شوند.در یک کاربرد خاص، یک آلیاژ Zr-2.5Nb به یک کاشت زانو یا مفصل ران تبدیل می شود و سپس اکسید می شود و یک سطح سرامیک سخت برای کاربرد و مقاومت در برابر یک جزء پلی اتیلن تولید می کند.این ماده یعنی آلیاژ زیرکونیوم اکسید شده، خواص سطح مفید سرامیک یعنی کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت در برابر سایش را فراهم می کند، در حالی که خواص اولیه مفید فلز زیرین را حفظ می کند.