CN103205603A

CN103205603A - 一种无裂纹锆合金的制备工艺

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Publication number: CN103205603A
Application number: CN2013101436390A
Authority: CN
Inventors: 宋西平; 窦娜娜; 杨云; 马明旺; 向伟
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: CN103205603B

Abstract

本发明属于金属储氢材料领域，涉及一种无裂纹储氘锆合金的制备工艺。其特征在于：以一种工业用锆合金作为原料，在一定温度和压力范围内进行吸氘反应，然后以一定的冷却速率降温到一定温度后炉冷，得到储氘量在2.3%~4.0%（mass%）的无宏观裂纹的锆合金。本发明工艺简单、成本低廉、储氘量高、表面无裂纹。本发明的储氘锆合金在核融合反应、机载舰载激光武器、轻水反应堆核燃料棒以及民用方面的示踪元素、中子散射及核磁共振等国防和核能工程领域具有较广阔的前景。

Description

一种无裂纹锆合金的制备工艺

技术领域

本发明属于金属储氢材料领域，涉及一种无裂纹储氘锆合金的制备工艺。

背景技术

随着人们对能源需求的日益增加，核能源已成为世界各国尤其是中国发展能源的主要途径之一。伴随着核电站事故的频繁发生，如前苏联的切尔诺贝利核电站以及日本福岛核电站相继发生核泄漏，人们对核能的使用产生了怀疑。在此背景下，另一种核能形式，核聚变能，又重新回到人们的视线。它是通过氘和氚原子的融合来释放能量的，不仅释放的能量巨大，远大于核裂变产生的能量，而且，由于反应条件苛刻，在外部条件稍有改变时即可自行停火，因此安全可靠，并且由于融合产物中没有放射性物质，因此清洁无污染，加之其资源储量丰富、产能高、经济效益好等，被认为是最具发展潜力的一种新能源形式。

在核聚变过程中，氘气是其主要的燃烧原料之一，对其的要求是供给时密度大，而储存和运输时不泄露，设备简单操作易行。在这种情况下，固态材料储氘，即利用金属氘化物储氘比气态或液态储氘更占据优势，它不仅室温储存密度高，方便可靠，不易泄露，而且加热时可迅速释放氘气，满足了使用要求，并且在运转期间还可以实现氘气的选择性回收和释放，具有显著的优势，尤其是在激光聚变燃料靶以及某些核武器靶的应用中，更需要固态材料储氘。

目前可用于固态储氘的材料常有以下几类：金属铀及其合金（U、UZr_0.29）、ZrCo化合物（ZrCo，Zr(AlCo)₂、Zr(AlFe)₂）、金属钛及其合金（Ti、TiZrMn₂）、金属锆及其合金（ZrV₂、U_0.31ZrH_1.6,、ThZr₂Hx）。文献[1]（帅茂兵，铀合金的氢化特性和氢化处理研究[D].四川：中国工程物理研究院,2001:64-71）报道了铀合金的储氢/储氘性能，最高储氘量为2.88%，其储氢或氘后出现了不同程度的粉化问题，而合金中少量锆的样品粉碎较轻，因此锆具有抗粉碎的作用；文献[2](Huang H G, Dong P，Yin C, Zhang P C, Bai B， Dong C.Charaeterization and hydrogen absorption at low temperature of suction-cast Ti₄₅Zr₃₈Ni₁₇ quasicrystalline alloy[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2008;33(2):722-727.)与文献[3](黄火根.Ti-Zr-Ni（-Pb）二十面体准晶的形成与储氘特性研究[D].四川：中国工程物理研究院, 2011:38-64.)报道了钛合金储氘特性，储氘量为2.2%（mass%），实验结果显示，该合金一次吸氘饱和后即完全粉化，其颗粒大小不一，最大的粒径约1mm。文献[4]( S.H.Yun, S.Cho, M.Chang, Estimation of Thermophysical Properties in Massive ZrCoHx System, Fusion Science and Technology, 56(2)(2009)867-872.)与文献[5](N.Bekris, U.Besserer, M.Sirch, R.D.Penzhorn, On the thermal stability of the zirconium/cobalt hydrogen system, Fusion Engineering and Design, 49-50(2000)781-789.)报道ZrCo也存在着粉化现象，其储氘后的体积膨胀可达20%左右，从而造成锆合金的开裂，使得块体的氘（氢）化锆难于制备。

本发明具有以下优点：工艺简单、成本低廉、储氘量高、表面无裂纹。与文献[1]相比，锆合金储氘既克服了铀合金的放射性，又继承了铀的优点，并且本发明中的锆合金吸氘后无裂纹。与文献[2]、[3]相比，该文献中的储氘量为2.2%（mass%），本发明中的合金储氘量达到4.0%（mass%），并且无裂纹，与文献[4]、[5]相比，本发明中制备了无裂纹的锆合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备无裂纹储氘锆合金的新工艺，本发明工艺简单、成本低廉、储氘量高、表面无裂纹。

本发明的具体内容如下：

一种无裂纹锆合金的制备工艺，是以一种工业用锆合金作为原料，在一定温度和压力范围内进行一定时间的吸氘反应，然后以一定的冷却速率降温到一定温度后炉冷，得到储氘量在2.3%~4.0%（mass%）的无裂纹锆合金，具体包括如下步骤：

1）将锆合金加工成一定形状和尺寸的样品，机械研磨和抛光后，用无水乙醇清洗；

2）将样品放入样品室中；

3）将样品室抽真空，达到10-3Pa；

4）将样品室加热到所需的反应温度；

5）待样品室温度到达反应温度后，充入一定压力的氘气，进行吸氘反应；

6）吸氘反应20 ~40分钟后，以一定的速率降温，降至一定温度后进行炉冷。

进一步的所述样品室加热到温度为700℃~950℃；

进一步的，所述步骤5）中吸氘反应的压力范围为0.04MPa~0.3MPa；

进一步的，所述步骤5）中吸氘反应的温度范围为700℃~950℃；

进一步的，所述步骤5）中吸氘反应的时间范围为20min~40min；

进一步的，所述步骤6）中降温速率为0.5℃/min~1℃/min;

进一步的，所述步骤6）中其所述降温所到的温度范围为500℃~600℃；

进一步的，所述的工业用锆合金为原子能级纯锆、Zr-2、Zr-4、以及锆铜合金中的任一种；

进一步的，所使用的原子能级纯锆、Zr-2、Zr-4均为工业锆合金；

进一步的，所使用的锆铜合金中铜的质量分数为0~10%。

附图说明

图1是本发明的总体工艺流程图；

图2是无裂纹Zr-4储氘锆合金的低倍示意图；

图3是无裂纹Zr-4储氘锆合金的SEM示意图。

具体实施方式

通过下述实施例能更好的理解本发明，但实施例并不用来限制本发明。

实施例1

将为原子能级纯锆加工成直径为8mm,厚度为1mm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10^-3Pa。样品室加热到反应温度950℃后，充入0.04atm的氘气，进行吸氘反应。保温20min后，以0.5℃/min速率降温，降至一定温度500℃后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为2.7%（mass%）的无裂纹储氘锆合金。

实施例2

将Zr-2加工成直径为8mm，厚度为1mm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10^-3Pa。样品室加热到反应温度900℃后，充入1atm的氘气，进行吸氘反应。保温30min后，以0.5℃/min速率降温，降至一定温度500℃后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为3.5（mass%）的无裂纹储氘锆合金。

实施例3

将Zr-4加工成直径为8mm,厚度为1mm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10^-3Pa。样品室加热到反应温度850℃后，充入2atm的氘气，进行吸氘反应。保温40min后，以1℃/min速率降温，降至一定温度500℃后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为4.0%（mass%）的无裂纹储氘锆合金，图2为该合金的低倍示意图，图3为500倍的SEM示意图。

实施例4

将锆铜合金（铜的质量分数为1%）加工成直径为8mm,厚度为1mm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10^-3Pa。样品室加热到反应温度800℃后，充入3atm的氘气，进行吸氘反应。保温30min后，以0.5℃/min速率降温，降至一定温度600℃后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为3.8%（mass%）的无裂纹储氘锆合金。

实施例5

将锆铜合金（铜的质量分数为10%）加工成直径为8mm,厚度为1mm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10^-3Pa。样品室加热到反应温度700℃后，充入2atm的氘气，进行吸氘反应。保温40min后，以1℃/min速率降温，降至一定温度500℃后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为3.0%（mass%）的无裂纹储氘锆合金。

Claims

1.一种无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于：以一种工业用锆合金作为原料，在一定温度和压力范围内进行一定时间的吸氘反应，然后以一定的冷却速率降温到一定温度后炉冷，得到储氘量在2.3%~4.0%（mass%）的无裂纹锆合金，具体包括如下步骤：

2）将样品放入样品室中；

3）将样品室抽真空，达到10^-3Pa；

4）将样品室加热到所需的反应温度；

2.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤5）中吸氘反应的压力范围为0.04MPa~0.3MPa。

3.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤5）中吸氘反应的温度范围为700℃~950℃。

4.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤5）中吸氘反应的时间范围为20min~40min。

5.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤6）中降温速率为0.5℃/min~1℃/min。

6.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤6）中其所述降温所到的温度范围为500℃~600℃。

7.根据权利要求1所述的的方法，其特征在于：所述的工业用锆合金为原子能级纯锆、Zr-2、Zr-4、以及锆铜合金中的任一种。

8.根据权利要求7所述的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于：所使用的原子能级纯锆、Zr-2、Zr-4均为工业锆合金。

9.根据权利要求7所述的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于：所使用的锆铜合金中铜的质量分数为0~10%。