CN108103327A - 一种均质铀钨合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均质铀钨合金的制备技术，属于冶金领域，合金中钨的含量在2‑40%范围内，制备过程中，采用电弧熔炼技术，钨先熔于铀熔体中。通过对铀钨合金锭正反面多次熔炼，同时在熔炼的过程中施加电磁场对熔体进行搅拌，使钨均匀分布于铀熔体中，在再凝固的过程中弥散均匀的析出，最终钨以颗粒状均匀弥散的分布于整个铀钨合金锭中。

Description

一种均质铀钨合金的制备方法
技术领域
本发明涉及金属熔炼和成型工艺技术领域，更具体地讲，涉及一种均质铀钨合金的制备方法。
背景技术
细看近些年的局部冲突，以坦克为主的装甲部队，越来越多的成为主宰战役、乃至战争最后胜利的重要突击和保障力量。作为反坦克、反装甲武器之一的穿甲弹，在与装甲防护的斗争和较量中也得到不断的发展。铀钨合金能将铀材料良好的绝热剪切敏感性、自燃性与钨材料的高密度、高熔点特性强强结合、优势互补，具有高密度、高强度、高韧性，在超动载下塑性较好、波阻抗大等特点，是当今世界装甲和反装甲武器的理想材料，具有攻防兼备的功能，可用于穿甲弹、破甲弹、火箭增程弹，反坦克子母弹等各种常规武器弹药以及坦克装甲和常规导弹武器战斗部。
立足于铀钨合金的研制，对比金属铀与钨的基本物性参数可知，两者的熔点相差很大，达2000℃以上，两者之间不存在合金相，且钨在铀中的溶解度较低，1500℃下小于2wt％，常温下更是小于0.1wt％。此外，由铀钨的饱和蒸汽压随温度变化数据可知，当熔池温度为2000℃，钨的lgp＝-9.5Pa，铀的lgp＝-0.88Pa，两者相差较大。要获得组织均匀、性能优良的铀钨合金，首先需探索最佳的合金熔炼制备方法，采用传统的合金感应熔炼或粉末冶金等技术实难制备出钨颗粒均匀分布的铀钨合金。紧密围绕国防武器装备能力建设、提升的迫切需求，高强度、高密度、“自锐性”的铀钨合金材料可广泛用于破甲装备、杀爆弹丸等，而制备出高品质铀钨合金成为了关键制约因素。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种均质铀钨合金的制备方法。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种均质铀钨合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将清洗后的铀原料装入电弧炉熔炼坩埚中，将钨原料均匀的平铺置于铀原料上部，合炉；
步骤二：以坩埚作为负电极，将正电极末端距离熔体表面20-40mm，逐步增加送电电流，使铀原料熔化，铀原料熔化完全后包裹钨原料并粘合在一起；
步骤三：在步骤二的基础上，使得电极末端距离熔体表面5-30mm继续增加电流，在增加电流的过程中对整个坩埚中施加电磁场，电磁场对坩埚内的熔体进行搅拌；
步骤四：待坩埚冷却后，将铀钨合金锭取出后翻转，将原来的铀钨合金锭顶面朝下、底面朝上放置到坩埚中重新装炉，再依次重复步骤一、二、三、四；
步骤五：多次重复熔炼后获得钨颗粒均匀弥散分布的铀钨合金锭。
在上述技术方案中，所述坩埚为水冷铜模坩埚,水冷坩埚外表面为圆柱形，内表面呈半球形，经过抛光处理，内深为坩埚总高的1/2-3/4。
在上述技术方案中，装入坩埚中的铀原料采用酒精进行清洗。
在上述技术方案中，步骤三中的电磁场由设置在坩埚底部的电磁线圈提供，电磁线圈与坩埚之间设置有绝缘石棉布。
在上述技术方案中，所述铀原料采用锭、块、或切屑的结构，钨原料采用粒径为10μm-20μm、纯度大于99.9％的粉末。
在上述技术方案中，步骤一中的合炉后抽真空，坩埚炉室真空度优于1×10-2Pa以后，向炉内充入高纯氩气，氩气纯度≥99.95％，氩气充压至0.05-0.2兆帕。
在上述技术方案中，步骤二中熔炼电流为300-500安培，熔炼时间为1-5min。
在上述技术方案中，步骤三中熔炼电流为500-1200安培，熔炼时间为3-15min，施加的电磁场强度介于0.01T-0.1T之间。
在上述技术方案中，所述步骤五中获得的均质铀钨合金中钨的含量为：2％≤W≤40％，其他余量为铀及不可避免杂质。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)钨颗粒分布均匀：本发明使用电弧熔炼配合电磁搅拌的技术成功制备出了不同成分的铀钨合金，钨颗粒在合金中弥散均匀分布，熔炼效果较优，相比传统熔炼技术熔化效果更好。
(2)应用面较广：本发明方法可用于其它铀金属体系的弥散分布实验研究，所需成本较低，生产效率较高，工艺周期较短，可为铀金属二元或多元体系的制备方法进行系统分析。
附图说明
图1是本发明的铀钨合金的金相图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
结合附图1所示，对本发明进行详细的阐释。
示例1：
制备U-5W合金：
(1)装炉：按照所需质量百分比准备铀和钨的原料，将铀锭进行酒精清洗，装入电弧炉熔炼坩埚中，钨原料均匀的平铺置于铀原料上部，装料合炉后抽真空，炉室真空度优于1×10-2Pa以后，向炉内充入高纯氩气，氩气充压至0.15兆帕。
(2)预熔炼：逐步增加送电电流至350安培，电极末端距离熔体表面20mm，熔炼时间为3min，使铀原料熔化，铀原料熔化完全后包裹钨原料并粘合在一起。
(3)熔炼：待预熔炼完成后继续增加熔炼电流至800安培，电极末端距离熔体表面15mm，同时施加电磁场对熔体进行搅拌，施加的电磁场强度为0.05T，熔炼时间为7min。
(4)多次熔炼：待铀钨合金锭降温至室温后出炉，将铀钨合金锭底面朝上重新装炉，依次重复上述步骤(1)-(3)。使铀钨合金锭正反面熔炼次数各2次，最终获得钨颗粒均匀弥散分布的铀钨合金锭。
表1铀钨合金主要成分％
示例2：
制备U-10W合金：
(1)装炉：按照所需质量百分比准备铀和钨的原料，将铀锭进行酒精清洗，装入电弧炉熔炼坩埚中，钨原料均匀的平铺置于铀原料上部，装料合炉后抽真空，炉室真空度优于1×10-2Pa以后，向炉内充入高纯氩气，氩气充压至0.2兆帕。
(2)预熔炼：逐步增加送电电流至450安培，电极末端距离熔体表面24mm，熔炼时间为2min，使铀原料熔化，铀原料熔化完全后包裹钨原料并粘合在一起。
(3)熔炼：待预熔炼完成后继续增加熔炼电流至800安培，电极末端距离熔体表面18mm，同时施加电磁场对熔体进行搅拌，施加的电磁场强度为0.03T，熔炼时间为10min。
(4)多次熔炼：待铀钨合金锭降温至室温后出炉，将铀钨合金锭底面朝上重新装炉，依次重复上述步骤(1)-(3)。使铀钨合金锭正反面熔炼次数各4次，最终获得钨颗粒均匀弥散分布的铀钨合金锭。
表2铀钨合金主要成分％
示例3：
制备U-20W合金：
(1)装炉：按照所需质量百分比准备铀和钨的原料，将铀锭进行酒精清洗，装入电弧炉熔炼坩埚中，钨原料均匀的平铺置于铀原料上部，装料合炉后抽真空，炉室真空度优于1×10-2Pa以后，向炉内充入高纯氩气，氩气充压至0.2兆帕。
(2)预熔炼：逐步增加送电电流至500安培，电极末端距离熔体表面30mm，熔炼时间为5min，使铀原料熔化，铀原料熔化完全后包裹钨原料并粘合在一起。
(3)熔炼：待预熔炼完成后继续增加熔炼电流至1200安培，电极末端距离熔体表面5mm，同时施加电磁场对熔体进行搅拌，施加的电磁场强度为0.12T，熔炼时间为15min。
(4)多次熔炼：待铀钨合金锭降温至室温后出炉，将铀钨合金锭底面朝上重新装炉，依次重复上述步骤(1)-(3)。使铀钨合金锭正反面熔炼次数各2次，最终获得钨颗粒均匀弥散分布的铀钨合金锭。
表3铀钨合金主要成分％
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将清洗后的铀原料装入电弧炉熔炼坩埚中，将钨原料均匀的平铺置于铀原料上部，合炉；
步骤二：以坩埚作为负电极，将正电极末端距离熔体表面20-40mm，逐步增加送电电流，使铀原料熔化，铀原料熔化完全后包裹钨原料并粘合在一起；
步骤三：在步骤二的基础上，使得电极末端距离熔体表面5-30mm继续增加电流，在增加电流的过程中对整个坩埚中施加电磁场，电磁场对坩埚内的熔体进行搅拌；
步骤四：待坩埚冷却后，将铀钨合金锭取出后翻转，将原来的铀钨合金锭顶面朝下、底面朝上放置到坩埚中重新装炉，再依次重复步骤一、二、三、四；
步骤五：多次重复熔炼后获得钨颗粒均匀弥散分布的铀钨合金锭。
2.根据权利要求1所述的一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于所述坩埚为水冷铜模坩埚,水冷坩埚外表面为圆柱形，内表面呈半球形，经过抛光处理，内深为坩埚总高的1/2-3/4。
3.根据权利要求1或2所述的一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于装入坩埚中的铀原料采用酒精进行清洗。
4.根据权利要求1所述的一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于步骤三中的电磁场由设置在坩埚底部的电磁线圈提供，电磁线圈与坩埚之间设置有绝缘石棉布。
5.根据权利要求1所述的一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于所述铀原料采用锭、块、或切屑的结构，钨原料采用粒径为10μm-20μm、纯度大于99.9%的粉末。
6.根据权利要求1所述的一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于步骤一中的合炉后抽真空，坩埚炉室真空度优于1×10-2Pa以后，向炉内充入高纯氩气，氩气纯度≥99.95%，氩气充压至0.05-0.2兆帕。
7.根据权利要求1或6所述的一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于步骤二中熔炼电流为300-500安培，熔炼时间为1-5min。
8.根据权利要求1或6所述的一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于步骤三中熔炼电流为500-1200安培，熔炼时间为3-15min，施加的电磁场强度介于0.01T-0.1T之间。
9.根据权利要求1所述的一种均质铀钨合金的制备方法，其特征在于所述步骤五中获得的均质铀钨合金中钨的含量为：2%≤W≤40%，其他余量为铀及不可避免的杂质。
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