Thorium, its Alloys and Intermetallic Compounds

A chemicophysical and mechanical retrospective

Stephen A. Boyd, Ph.D.Havelide Systems, Inc.118 Division AvenueBlue Point, NY 11715

Thorium – the element: synthesis 

– Three sources for “modern” synthesis:

• Ames  Protocol

–(Th(NO3)4•4H2O + (COOH)2 → Th(oxo) 2–Th(oxo) 2 +∆H → ThO2

– ThO2 + HF ‐> ThF4– ThF4 + 2Ca0 + ZnCl2 +∆H →Th0

• Battelle: 2I2 + Th +∆H ‐> ThI4; ∆H → Th0

• Westinghouse: ThO2 + Ca0 + ∆H → Th0

1829 – Jakob Berzelius  Original reaction: KThF5 + K0 → Th0

Thorium – the element: performance

• Vicker’s Hardness: 36‐100 (depending on purity); remarkably soft – very similar to Al– Easily cold‐rolled to 0.1mm

– cold‐workable, 

– Extrudable

– machinable

– Weldable – arc, MIG, TIG

– Intermetalic welding, braising

INTERIM REPORT ON METALLURGY OF THORIUM AND THORIUM ALLOYS. ORNL 1090 METALLURGY AND CERAMICS.  1949 ‐ 1951 Contract No. W‐740S, eng‐26.

Thorium – the element – α phase

• Face‐centered Cubic†

_– Fm3m

• a = 5.08Å

• ⟩ ≈ 11.6 g/cm3

†Wilson, W. B., Austin, A. E., and Schwartz, C. M., "The Solid Solubility of Uraniumin Thorium and the Allotropic Transformation of Thorium‐Uranium Alloys", BMI‐ 11 11(July 12, 1956).

Thorium – the element – β phase

• Body‐centered Cubic at 

High temperature:

transition temp: 

1360°C†

_– Space group: Im3m

• a = 4.12Å

• ⟩ ≈ 9 g/cm3

†Chiotti, P., "High‐Temperature Crystal Structure of Thorium", J. Electrochem. Soc,,‐101, 567‐70 (1954).

Binary Alloys: ASTM Nomenclature• Letters = major alloying elements

• first letter = the highest amount (wt%)

• second letter = the second highest amount (wt%)

• Numbers = wt% of each, in same order

Binary Th alloys

• Containment vessels a challenge– Refractory materials few and far between

– ZrO2 vessels (<1800°C) discovered…<1% reactivity with Th0

– BeO excellent, but highly toxic and Th‐Bex(2<x<13; solid solution) microlayer readily formed above 1200°C; high shear plane number†§

† Spedding, F. H., unpublished information (November, 1944).§ Foote, Frank, Metallurgy Division Progress Report, CT‐2794 (April, 1945)

Silica Tube Alloying Furnace

INTERIM REPORT ON METALLURGY OF THORIUM AND THORIUM ALLOYS. ORNL 1090 METALLURGY AND CERAMICS.  1949 ‐ 1951 Contract No. W‐740S, eng‐26.

Mag‐Thor (ThMg2)

• Much vaulted, due to its chemical and physical properties:– High tensile strength at elevated (350°C) temperatures

– High corrosion resistance

– Little creep, despite prolonged elevated temperature exposure

Mag‐Thor (ThMg2)

• Two primary phases– Temperature dependent

– Low‐temperature (<700°C) phase: hexagonal (P63/mmm)

– a = 6.086Å– c = 19.64Å

Peterson, D. R., Diljak, P. F., and Vold, C. L., "The Structure of Thorium‐MagnesiumIntermetallic Compounds", Acta Cryst., 1‐90, 1036 (1956

Mag‐Thor (ThMg2)

Mag‐Thor – high‐temp cubic phase

Cubic: Fd3m

a = 8.57 Å

Small stability rangeBefore peritecticdecomposition

Yamamoto, A. S., Levinson, D. W., and Rostoker, W., "Research on Phase Relationshipsin Magnesium Alloys", WADC TN‐649 (November 1, 1955).

Mg‐Th

• Demonstrably skewed toward Mg‐rich side

• Low mp (790°C)

• Peritecticdecomposition

Th‐CrClassic eutectic phase curve, But NO intermetallic at eutecticpoint

Alloy (non‐intermetallic) withOnly 2% Cr has incredibly high Tensile  strength

α‐phase (<1360°C)face‐centered cubic (Fm3m)

β‐phase (1360‐1755°C)body‐centered cubic (Im3m)

Venkatraman, M., Neumann, J.P., Peterson, D.E. Bull Alloy Phase Diag. 6, 5 1985

Th‐Cr

• Tensile data for Th‐rich (~98% %wt) Th‐Cr surprising• Weldable, machinable, double T‐strength of 316‐SS,• Non‐magnetic

Conclusions

• Hundreds of Binary, Ternary alloys

• Poorly studied, nearly zero present‐day research

• Remarkable properties– Simple machining for both elemental Th and binary alloys

– Non‐magnetic behavior

– High‐temperature performance