نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 1. پژوهشکده‌ی مواد و سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 8486-11365، تهران ـ ایران

2 2. مجتمع مواد و فرایندهای ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، صندوق پستی: 1774-15875، تهران ـ ایران

چکیده

مقاومت در برابر اکسایش مکس فاز 2SiC3Ti خالص تولید شده به روش مذاب خورانی پیش­سازه­های تیتانیم کاربید متخلخل ساخته شده با روش ریختگی ژلی، در دماهای مختلف 500، 800، 1000، 1100، 1200، 1300 و C˚1400 در محیط اکسیژن مورد ارزیابی قرار گرفت. ترکیب فازهای اکسیدی تشکیل شده روی سطح نمونه­ها با استفاده از تکنیک پراش پرتو ایکس (XRD) شناسایی شد. ضخامت لایه­­های اکسیدی تشکیل شده روی نمونه­ها با بررسی سطح مقطع نمونه­ها با تکنیک میکروسکوپی الکترون روبشی (SEM) اندازه­گیری شد. به منظور تشریح سازوکار فرایند اکسایش، تجزیه­های گرماوزنی (TG) و گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) در محدوده­ی دمایی 25 تا
˚C1500 به انجام رسید. یافته­ها نشان داد که تا دمای ˚C1000 افزایش جرم شدیدی به دنبال اکسایش رخ نمی­دهد و با افزایش دما در ورای ˚C1000 فرایند اکسایش تسریع می­شود. از دمای ˚C1400 به بعد اکسایش به حالت پایدار رسیده و شیب افزایش جرم کاهش
می­یابد. داده­های مقطع­سنجی لایه­های اکسیدی نشان داد که با افزایش دما به ˚C 1400 ضخامت لایه اکسیدی به 121 µm افزایش می­یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of the oxidation behavior of Ti3SiC2 with applicability as a nuclear fuel cladding

نویسندگان [English]

  • H Foratirad 1
  • M Ghanadi Maragheh 1
  • H.R Baharvandi 2

چکیده [English]

In this research, the oxidation resistance of pure Ti3SiC2 MAX phase that produced via infiltration of porous TiC preform, fabricated by the gel casting process, was evaluated via oxidation at different temperature of 500, 800, 1000, 1100, 1200, 1300 and 1400 oC under the oxygen atmosphere. The oxide phase composition on the surface of the samples was characterized by X-ray diffraction analysis. The thickness of the oxide layers on the surface was measured on the cross- section of the samples using scanning electron microscopy (SEM). To investigate the oxidation mechanism, the TG and DSC thermal analyses were carried out in the range of 25-1500˚C. The results showed that the high weight gains were not occurred up to 1000˚C, and the oxidation procedure was accelerated for the temperature above 1000˚C. The oxidaton reached a steady- state above 1400˚C. The results of the oxide layers thickness measuements showed that by increaseing temperature to 1400˚C, the oxide layer thickness increased to 121 µm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ti3SiC2 MAX Phase
  • Oxidation behavior
  • Weight gain

1. Corrosion of Zirconium Alloys in Nuclear Power Plants,” Doc. No IAEA-TECDOC-684 (Vienna, Austria: International Atomic Energy Agency, 1993).

2. N. Ramasubramanian, P. Billot, and S. Yagnik, Hydrogen Evolution and Pickup during the Corrosion of Zirconium Alloys: A Critical Evaluation of the Solid State and Porous Oxide Electrochemistry, ASTM Special Technical Publication. 1423, 222 (2002).

3. K. Satoru, F. Teruo and S. Motoe, Oxidation of Zircaloy-4 under High Temperature Steam Atmosphere and Its Effect on Ductility of Cladding, J. Nucl. Sci. Tech. 18, 589 (1977).

4. C.H. Henager, et al. Technical Report: Nanocrystalline SiC and Ti3SiC2 Alloys for Reactor Materials, U.S. Department of Energy under Contract, PNNL-23948, DE-AC05-76RL01830.

5. D. J. Tallman, Ph.D. Thesis, Drexel University, (2015).

6. J. Henry Ward, Ph.D. Thesis, University of Manchester, (2018).

7. D. J. Tallman, et al. Effects of neutron irradiation of Ti3SiC2 and Ti3AlC2 in the 121e1085 C temperature range, J. Nucl. Mater. 484, 120 (2017).

8. G. W. Bentzel, et al, On the Interactions of Ti2AlC, Ti3AlC2, Ti3SiC2 and Cr2AlC with Palladium at 900°C, J. Alloys and Compd. 771, 1103 (2019).

9. L. Cheng, S. Li and L. Zhang, The morphology of oxides and oxidation behavior of Ti3SiC2-based composite at high-temperature, Compos. Sci. Tech. 63, 813 (2003).

10. L. Cheng, S. Li and L. Zhang, Oxidation behavior of Ti3SiC2 at high temperature in air, Mater. Sci. Eng. A. 341, 112 (2002).

11. T. Chen, P. M. Green, J. L. Gordan, J. M. Hampikian and N. N. Thadhani, Oxidation of Ti3SiC2 composites in air, Metall. Mater. Trans. A. 33, 1737 (2002).

12. T. El-Raghy and M.W. Barsoum, Oxidation of Ti3SiC2in air, J. Electrochem. Soc. 144, 2508 (1997).

13. J. Jedlinski, Comments on the use of the two-stage-oxidation method and surface analytical techniques in studying growth processes of oxide scales, Oxid. Met. 39, 61 (1993).

14. H. HoDuc, Ph.D Thesis, Faculty of Drexel University, (2002).

15. H. Foratirad, H. R. Baharvandi and M. G. Maragheh, Effects of Dispersants on Dispersibility of Titanium Carbide Aqueous Suspension, J. Refract. Met. Hard. Mater. 56, 96 (2016).

16. H. Foratirad, H. R. Baharvandi and M. G. Maragheh, Synthesis of nanolayered Ti3SiC2 MAX phase via infiltration of porous TiC preform produced by the gelcasting process, Mater. Let. 72, 141 (2016).

17. H. Zhai, Z. Huang, Y. Zhou and Z. Zhang, Oxidation layer in sliding friction surface of high-purity Ti3SiC2, J. Mater. Sci. 39, 6635 (2004).

18. Z. Sun, Y. Zhouand and M. Li, Oxidation behavior of Ti3SiC2-based ceramic at 900- 1300 oC in air, Corr. Sci. 43, 1095 (2001).

19. D. Zhou and Z. Wang, Oxidation Behavior of Ti3SiC2-SiC Ceramic Composites, Materials Science Forum, 561-565, 687-691, 2007.

20. M. W. Barsoum and T. El-Raghy, Synthesis and Characterization of a Remarkable Ceramic:Ti3SiC2, J. Am. Ceram. Soc. 79, 1953 (1996).

21. S. Li, J. Xie, L. Zhang and L. Cheng, Mechanical properties and oxidation resistance of Ti3SiC2/SiC composite synthesized by in situ displacement reaction of Si and TiC, Mater. Let. 57, 3048 (2003).

22. M. W. Barsoum and T. El-Raghy, The MAX Phases: Unique New Carbide and Nitride Materials, Am. Sci. 89, 67 (2001).