CN103556071A - 高温耐辐照磁致伸缩合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温耐辐照磁致伸缩合金及制备方法，该合金化学成分的重量百分比为：Ni:43.0～66.0%、Cr:0～5.0%、Mo:1.0～3.5%、Ti:1.0～3.0%、Al:0～1.0%，余量为Fe。本发明所述高温耐辐照磁致伸缩合金，具有高的居里温度，在较宽的温度范围内具有良好的磁致伸缩性能，并具有大的饱和磁致伸缩系数，在反应堆中抗辐照性能优良，不会发生高剂量中子或伽马射线引起的辐照激活或蜕变，能够满足反应堆堆芯高温大辐照剂量的使用要求。

Description

高温耐辐照磁致伸缩合金

技术领域

本发明涉及一种合金，特别涉及一种高温耐辐照磁致伸缩合金及制备方法。

背景技术

磁致伸缩材料是自上世纪六七十年代迅速发展起来的新型智能功能材料，目前已被视为本世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性材料，磁致伸缩材料具有机械能/电能转换效率高、能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单等特点。利用材料的威德曼效应，磁致伸缩材料加工成丝材、管材、棒材或带材等，其作为核心敏感元件广泛应用于液位传感器、位移传感器、磁弹性型扭矩传感器及杨氏模量等传感器中，并在坦克、核潜艇、激光镜、电子显微镜、高速阀和燃料喷射装置、电力传输继电器以及机器人的机械联动等装置中广泛使用，在物位精密测量、质量检验、优化控制、工况检测和故障诊断等领域发挥着重要的作用。

反应堆驱动机构用磁致伸缩传感器是反应堆安全运行的重要装置，其使用环境具有350℃高温及大辐照剂量的恶劣工况特点，这就要求其核心敏感材料具有易加工、耐高温及耐辐照的特点。

稀土超磁致伸缩材料TbDyFe合金具有巨大的磁致伸缩应变，但其脆性大，不能加工成丝且价格昂贵。Fe-Ga合金的研究正处于起步阶段，其也具有较高的磁致伸缩应变，但其磁致伸缩性能受晶体取向影响较大，且加工难度也较大，难于加工成传感器所需的细小丝材。目前磁致伸缩传感器用的波导丝多为Fe-Ni合金丝，但其中Ni的含量通常在45%以下，并含有Cr等降低居里温度的元素，使得传统的Fe-Ni合金丝的磁致伸缩性能只能保持在100℃以下，限制了传感器的使用温度范围，难以满足350℃高温以下使用的要求。加入Co可使局里温度升高，但Co元素在高温大辐照剂量辐照后，变成了不稳定的同位素而嬗变成其它元素，使材料的磁致伸缩性能发生极大的恶化，从而影响传感器性能。引起仪器仪表的失效，反应堆用高温磁致伸缩合金正是由此发展而来。因此，迫切需要开发一种既具有高居里温度、耐大的辐照剂量、又能加工成丝的新型磁致伸缩材料，以推动该产业的发展。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种高温耐辐照磁致伸缩合金及制备方法。所述合金在较宽的温度范围内0～380℃，具有大饱和磁致伸缩系数和良好的耐辐照性能，能够满足反应堆堆芯高温大辐照剂量的使用要求。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

高温耐辐照磁致伸缩合金的重量百分比为：

Ni:43.0～66.0%；

Cr:0～5.0%；

Mo:1.0～3.5%；

Ti:1.0～3.0%；

Al:0～1.0%，

余量为Fe。

所述的高温耐辐照磁致伸缩合金，较好的技术方案是合金的重量百分比为：

Ni:48.5%；

Mo:1.0%；

Ti:1.0%；

Al:0.2%；

余量为Fe。

所述的高温耐辐照磁致伸缩合金，较好的的技术方案是该合金的重量百分比为：

Ni:55.0%；

Cr:2.5%；

Mo:2.0%；

Ti:2.3%；

Al:0.3%；

余量为Fe。

高温耐辐照磁致伸缩合金的晶体结构为面心立方结构。

高温耐辐照磁致伸缩合金的制备方法有下述步骤：

a).熔炼：

按权利要求1-3任一所述的重量百分比称取合金的各个组分，在熔化功率80Kw、精炼功率20～30Kw、真空度≥1Pa条件下，真空熔炼15～30分钟；

b).成坯：

经电渣自耗成铸锭，加热至1100～1170℃，热锻成方坯；

c).轧制：

将锻造后的合金坯料分别进行900～1170℃热轧，轧制成盘条；

d).冷拔：

将轧制成的盘条在0～45℃下冷拔成φ≤0.72mm的丝材；

e）.热处理：

步骤d)所述的丝材置于真空炉中，1000～1150±5℃下保温1～3小时，随后以30-100℃/h的速度冷却到580℃±5℃时，保温5小时后随炉冷却到室温，得到高温耐辐照磁致伸缩合金。

将成品丝材置于真空热处理炉中进行最终的热处理，用于调整和稳定合金的磁致伸缩性能。

本合金的主要性能如下：

1.合金的饱和磁致伸缩系数：λs=(20～40)×10^-6/℃，

2.合金的居里温度：Tc≥380℃。

本发明合金中Co元素用于提高NiFe基合金的居里温度，但Co元素在高剂量的中子或伽马射线引起的辐照激活或蜕变，对丝材性能及反应堆造成不良影响。增加Ni含量可提高合金居里温度，可使磁致伸缩合金从室温到高温一直保持良好的磁致伸缩性能，因而可在较宽温度范围内获得大的饱和磁致伸缩系数。本发明所述合金，解决了传统的FeNi基磁致伸缩合金的居里温度低的问题，扩大了其使用温度范围。

制备过程中，通过适当的热处理工艺来调整合金的组织和性能，使合金的饱和磁致伸缩系数在较宽的温度范围内基本保持不变，满足高精度仪器仪表的宽温使用要求。

本发明的高温耐辐照磁致伸缩合金，具有高的居里温度及良好的抗辐照性能，在较宽的温度范围内，具有大的饱和磁致伸缩系数。采用本发明的高温磁致伸缩合金制备方法，可调整合金的组织和性能，使合金在较宽的温度范围内保持大的饱和磁致伸缩系数，满足反应堆用磁致伸缩传感器的高温大辐照剂量使用要求，能够满足高精度传感器的高温耐辐照使用要求。采用本发明的反应堆用高温磁致伸缩合金装备传感器的方法，可提高及稳定合金的磁致伸缩性能，满足传感器高温大辐照剂量长时间稳定精确测量的需要。

本发明所述Ni、Cr、Mo、Ti、Al、Fe均采用纯度为99.95%≥的金属原材料。

具体实施方式

实施例1

选取合金的成分含量为：Ni:48.5%、Mo:1.0%、Ti:1.0%、Al:0.2%，余量为Fe。

取上述组分放进真空感应进行熔炼，熔炼工艺为熔化功率80Kw、精炼功率20～30Kw、真空度优于1Pa、熔炼时间为15～30分钟；再经电渣重熔成铸锭，在柴油炉中加热至1150℃，热锻成各种所需规格（如40mm×40mm）的方坯，合金坯料进行900～1170℃热轧，轧制成盘条。将轧制成的盘条在0～45℃下冷拔，冷拔成中φ0.63mm以下的丝材。

将丝材装入真空热处理炉中，在1100±5℃下保温1小时；然后以60℃/h的速度冷却到580±5℃，保温5小时后随炉冷却到室温，得到的高温耐辐照磁致伸缩合金，用于装备反应堆用高温磁致伸缩传感器。

测试结果表明：合金的饱和磁致伸缩系数λs=31×10^-6/℃，合金的居里温度：Tc=381℃。

实施例2

与实施例不同的是选取合金的成分含量为：Ni:55.0%、Cr:2.5%、Mo:2.0%、Ti:2.3%、Al:0.3%，余量为Fe。，其余的同实施例1。

测试结果表明：合金的饱和磁致伸缩系数λs=26×10^-6/℃，合金的居里温度：Tc=385℃。

实施例3

与实施例不同的是选取合金的成分含量为Ni:64.0%、Cr5.0%、Mo:3.0%、Ti:2.9%、Al:0.7%，余量为Fe，其余的同实施例1。

测试结果表明：合金的饱和磁致伸缩系数λs=21×10^-6/℃，合金的居里温度：Tc=397℃。

Claims (5)

1.一种高温耐辐照磁致伸缩合金，其特征在于，该合金的重量百分比为：

Ni:43.0～66.0%；

Cr:0～5.0%；

Mo:1.0～3.5%；

Ti:1.0～3.0%；

Al:0～1.0%，

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的高温耐辐照磁致伸缩合金，其特征在于，该合金的重量百分比为：

Ni:48.5%；

Mo:1.0%；

Ti:1.0%；

Al:0.2%；

余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的高温耐辐照磁致伸缩合金，其特征在于，该合金的重量百分比为：

Ni:55.0%；

Cr:2.5%；

Mo:2.0%；

Ti:2.3%；

Al:0.3%；

余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的高温耐辐照磁致伸缩合金，其特征在于：该合金的晶体结构为面心立方结构。

5.高温耐辐照磁致伸缩合金的制备方法，其特征在于，有下述步骤：

a).熔炼：

按权利要求1-3任一所述的重量百分比称取合金的各个组分，在熔化功率80Kw、精炼功率20～30Kw、真空度≥1Pa条件下，真空熔炼15～30分钟；

b).成坯：

经电渣自耗成铸锭，加热至1100～1170℃，热锻成方坯；

c).轧制：

将锻造后的合金坯料分别进行900～1170℃热轧，轧制成盘条；

d).冷拔：

将轧制成的盘条在0～45℃下冷拔成φ≤0.72mm的丝材；

e）.热处理：

步骤d)所述的丝材置于真空炉中，1000～1150±5℃下保温1～3小时，随后以30-100℃/h的速度冷却到580℃±5℃时，保温5小时后随炉冷却到室温，得到高温耐辐照磁致伸缩合金。