铀基非晶合金的发展现状为核工业领域未来应用奠定了基础-市场分析-市场动态-变压器市场网
 
   
 
当前位置: 首页 » 市场动态 » 市场分析 » 正文
分享到:

铀基非晶合金的发展现状为核工业领域未来应用奠定了基础

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-10-12  浏览次数:2807
 铀基非晶合金的发展现状》一文本文结合非晶合金的最新发展动态简要介绍了铀基非晶发展历史, 较系统地总结了本团队的最新铀基非晶研究工作。上述工作的通信作者为中国工程物理研究院材料研究所黄火根和大连理工大学材料科学与工程学院王英敏。


1.引言
铀基非晶合金材料受到的关注较少,研究工作基本都是国外开展,国内几乎没有。

2.新型铀基非晶的形成与热稳定性

2.1 制备方法
铀基非晶合金的制备方法包括熔体快冷、气相沉积和辐照三种。 本团队采用熔体快冷方法制备。

铀金属与其他金属不同,具有放射性与化学毒性,因而上述实验过程中涉及的合金熔炼设备必须具备特排管道及佩戴相应的放射性防护用具。

样品制备过程:首先,根据设计的铀合金的名义成分,采用纯度约99.5%的低碳贫铀和纯度>99.9%的其他合金元素配置合金,每个合金重量控制在4—10g范围,每种组元的成分偏差控制在±0.5 mg;然后,采用NMS-II型合金熔体快淬炉进行合金熔炼,采用纯度99.999%以上的高纯Ar气进行保护,为保证合金的成分均匀性,反复熔炼合金4次以上,获得合金母锭;之后,将母锭破碎成小块,取适量置于石英玻璃管内,采用电磁感应加热方法在高纯 Ar气保护下熔化合金锭,在一定的气压差下将熔体喷至高速旋转的Cu辊 (线速度为40—75 m/s)上进行急冷甩带,获得厚度20—40μm、宽度0.5—2.0mm的条带样品; 最后,对于非晶形成能力较高的合金,采取电弧加热方式熔化其母锭,在一定的气压差下将合金熔体吸入水冷铜模中,获取直径大于1 mm的块体样品。图(a)对比了U(铀)基与Zr基非晶合金母锭、条带样品照片,可看出它们在样品形态上并无差异。 图(b)展示了铀基多元非晶合金的母锭形态,可看到明亮的镜面效果,显示出合金良好的流动形态,表明铀基非晶与常规非晶在制备方法上具有继承与相通性。


2.2 成分体系
在获取合金样品后,为了确认是否形成非晶相,采用X射线衍射仪(XRD,Cu Kα)进行测试。

2.2.1 二元体系: U-Co,U-Fe,U-Cr
对于U-Co体系,相图上的深共晶点为U62.5Co37.5,共晶相分别为UCo和U6Co。发现了UCo非晶的形成规律: 在U含量>83.3% (指原子百分比,下同)时超饱和α-U相是非晶竞争相,在低U含量(50%—55%)成分处UCo相为竞争相,这两个成分区间内样品的相组成基本为单相; 在U含量为62.5%—78%范围内,非晶竞争相为UCo和U6Co两相,最优的非晶成分点为U66.7Co33.3。 

对于U-Fe体系,二元相图与U-Co系类似,深共晶点为U66Fe34,两侧的共晶合金相分别为Fe2U和U6Fe。在U含量为60%—83.3%范围内设计系列合金成分,结果表明易于形成非晶的成分区间位于共晶点的富U端,其中U66Fe34与U69.2Fe30.8两个合金更强。

对于U-Cr体系,共晶成分为U81Cr19,当铀含量在69.2%—75%之间时,合金得到了完全非晶相。

在同样的制备条件下,典型体系U-Co,U-Fe都没有得到单一的非晶相,而U-Cr体系却实现了单一非晶相的形成,说明后者具有更强的非晶形成能力,但与其基于热力学、动力学和结构条件的预测结果不一致,呈现反常的非晶形成趋势。

2.2.2 三元体系: U-Co-M,U-Fe-Sn

为了提高二元体系的非晶形成能力,通过微合金化实验确定合金化添加元素。为此,针对U-Co体系添加不同的M(M=Sn,Si,Be,Cu,Pd,Y,Zr)元素进行微合金化研究。

Pd,Y与Zr的加入促使UCo相的形成,不利于非晶形成,而其他组元加入都有一定的改善作用,尤其是Sn。

参考 Zr-Co-Al,Ce-Co-Al等非晶体系,我们还研究了 U-Co-Al体系的非晶形成。对于同一条线上的合金,提高 Al含量 (最大至 17.5%)可逐渐提升合金的非晶形成能力,最终获取了 5个具有完全非晶相的合金成分,分别为U64Co28.5Al7.5,U60.5Co27Al12.5,U58.8Co26.2Al15,U69.2Co29Al1.8与U62.5Co20Al17.5。Al的添加能够促进U-Co非晶合金形成。

对于U-Fe-Sn合金体系,往铀含量为60%—83.3%范围内的合金少量添加 Sn (0—5%)进行了合金化尝试,发现均能形成非晶相。

2.2.3 多元体系: U-Pd-Ni-Si,U-Ni-Al-Cu等

在U-Ni,U-Pd基础上进行多元化合金设计,结果发现多元化能进一步提升铀基非晶合金的形成能力,获取了大量具有单一非晶相的合金成分。

2.3 形成规律
对于二元体系而言,可看出在相应的成分范围内(U含量为60%—80%),随着第二组元含量的增加,Tx一般呈现减少趋势,Tm基本无变化,而TL升高。以约化晶化温度(Tx/TL)判据来衡量非晶形成能力,含65%—70%U的合金具有更好的非晶形成能力。对于三元体系U-Co-Al体系的研究结果表明,适当含量的Al可大幅提升该体系的非晶形成能力。

随着合金成分由二元向三元及多元拓展,合金的晶化温度向高温移动,但熔化温度向低温移动,根据Tx/TL判据可知多元化能够有效提升铀基非晶合金的形成能力。

2.4 晶化特性
铀基非晶合金与常规非晶合金体系一样,其玻璃转变和晶化过程具有明显的动力学特征。
铀基非晶的初始晶化过程以形核为主,只有当x>0.8之后形核率才开始降低,在x接1,即晶化将要完成时形核率才趋于0,这也表明铀基非晶合金的晶化过程基本上是形核主导的。

3.新型铀基非晶的结构与性能
3.1 微观结构
为了认识铀基非晶合金的结构遗传性,对U-Co/Fe二元合金开展了不同冷却速率的甩带实验,用于判断竞争相中的初生相,从而明确其结构遗传性的起源。根据近期的实验结果表明,不断降低合金的冷速,U-Co/Fe均从初始的非晶结构逐步向晶体结构转变,通过标定发现初生的晶体结构为U6Co/U6Fe相。通过团簇结构解析得知该团簇具有更好的密堆性与孤立性。
典型铀基非晶合金的原子高分辨图及衍射晕
 
3.2 纳米力学
铀基非晶合金相较于传统晶态合金而言,具有更加优异的力学性能。
近期的研究表明,非晶合金能够继承溶剂原子的弹性性质,而弹性性质本质上取决于其中的电子结构。另一方面,原子质量的差异会引起体系中轻原子更快的扩散行为,这种扩散会引起体系中更大的局域非均匀性,使得基体中具有更多的类液区,弱化了原子之间的相互作用。

3.3 电化学性能
铀基非晶材料优异的耐腐蚀性能主要得益于其热力学与动力学优势。 在热力学方面,为了提高铀基非晶合金的形成能力,添加了其他高电位金属元素,如Co,Ni,Al等,这些高电位金属的加入提高了合金整体的腐蚀电位,同时,非晶合金的结构和成分表现出的各向同性,使得腐蚀更加均匀、表面的钝化层更加均匀致密,从而表现出更高的腐蚀电位。 在动力学方面,铀及铀合金中有较多的夹杂,形成非晶后,大块的夹杂固溶到合金中,减少了腐蚀形核点和优先腐蚀区域,从而大大降低了腐蚀电流密度,提高了极化电阻,同时表面形成的均匀钝化层减缓了腐蚀速率。

4.结论与展望
作为特殊非晶材料,铀基非晶合金至今已得到一定的发展,但研究深度和广度还非常有限。 通过对近几年来的研究进展进行分析总结,得到以下结论:

1)多个新型铀基非晶合金体系,其中的代表性合金显现出较高的非晶形成能力,部分合金的约化玻璃化温度接近常规的大块非晶;
2)铀基合金的非晶形成能力与其局域团簇结构、电子浓度、混合焓、合金组元的电负性与原子尺寸等物理参数之间的关联;
3)铀基非晶合金属于一类强玻璃形成体系;
4)铀基非晶材料显示出优良的力学性能和耐蚀特性;

以上研究工作具有一定的基础科学意义,也为铀基非晶合金在核工业领域内的未来应用奠定了基础。

首先,新型铀基非晶合金的出现增加了非晶家族的成员,使得非晶合金真正涵盖整个元素周期表中所有类型的金属元素。 

其次,现有的研究中已发现铀基非晶合金的一些独特性质,如低的脆性系数、反常的模量。 这些结果对于未来进一步理解非晶材料的脆性起源、脆性系数与非晶形成能力之间的关联以及锕系元素在高温条件下的物理性质提供了线索。

再次,若将铀基非晶合金取代部分实际使用的铀合金材料,则能够大大改善核工业领域中铀材料的耐蚀性能,从而提升核产品的使用寿命,提高产品的经济性。

最后,对于国内的含铀废料,通过合金化方法形成含铀非晶合金,有望提高这种核废料的固化效果,减少它们对环境的污染危害。 因此,非晶化技术为铀废料固化提供了新的技术方向,有助于推动核废料大规模固化的应用发展。

特别提示:本信息由相关企业自行提供,真实性未证实,仅供参考。请谨慎采用,风险自负。


[ 市场动态搜索 ]  [ ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 关闭窗口 ]


 
相关市场动态
推荐市场动态
点击排行
变压器市场网 客服电话:010-69579894 传真:010-58043546 监督投诉:18501158905 会员服务QQ:1464449166 广告服务QQ:625272893 媒体合作QQ:153590855