CN115652164A - 一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料、其制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料、其制备方法及其应用。本发明钇基合金材料，具有如下成分质量百分比：C：0.05‑5.05％，Zr：0.05‑15.0％，且满足C≤1.3％+0.25Zr，其余成分为钇和不可避免的杂质。本发明经配料和特种真空熔炼工艺熔制后，浇注成型，经热锻或热压、热轧、冷轧、退火和氢化等工艺，最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。本发明有效地提高了钇基合金的耐热性能、抗氢致开裂性和加工性能，同时可以大幅度降低原材料成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种钇基合金材料、其制备方法及其应用，特别是涉及一种耐高温中子屏蔽 用抗氢致开裂钇基合金材料、其制备方法，应用于核功能特种合金材料技术领域。
背景技术
随着航空核动力和车载核动力推进的不断发展，小型核反应堆电源已应用在空间作业与 轨道快速转移等多种高要求环境。作为核反应堆中必不可少的堆芯部件，中子屏蔽材料的性 能影响着核反应堆电源的性能。
目前美国和法国等无人空间堆中子屏蔽用LiH(不稳定，600℃左右分解。)、ZrH2(800℃ 左右分解)、TiH2(800℃左右分解)。而YH2的分解温度达1000℃以上，更稳定。目前由于 现有钇合金晶粒异常粗大和抗高温氧化能力差，导致高温氢致脆裂和表面易于发生氧氮反应， 工程应用受到限制。空间堆和车载堆等移动堆由于屏蔽环境温度越来越高，迫切需要开发密 度低、屏蔽能力强、耐高温、抗高温氧化的轻质高效的新型中子屏蔽材料。
发明内容
为了解决现有材料和技术存在的问题，本发明的目的在于克服已有材料和技术存在的不 足，提供一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料、其制备方法及其应用，本发明制 备一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。本发明的耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂 钇基合金材料的晶粒细小、抗高温氧化、耐辐照，生产工艺简单，易加工。本发明可以用作 空间堆和车载堆等移动堆中的中子屏蔽体。
为达到上述发明目的，本发明创造采用如下发明构思：
充分利用碳、锆分别在高温钇中具有一定的固溶度，而碳与锆又形成高熔点ZrC，钇基 合金在凝固过程中ZrC起细化晶粒的作用，从而使晶粒细小的钇基合金在随后的热加工和高 温氢化过程中不开裂，保持较高的强度和韧性。晶粒细小的钇基合金具有优异的热加工性、 耐高温、抗氢致开裂等特点。本发明通过大量实验发现，在钇基合金中加入合适比例的碳、 锆、铬、铝、钆等元素，通过特种真空冶炼工艺，可制备得到耐高温、中子屏蔽能力强、强 韧性好、抗氢致开裂的钇基合金。本发明中的轻质高效中子屏蔽的钇基合金材料具有密度低、 强韧性好、耐高温、耐腐蚀性能好等优点。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料，其主要成分按照如下质量百分比组成：
C：0.05-5.05％，Zr：0.05-15.0％，且满足C≤1.3％+0.25Zr，其余成分为钇和不可避免的 杂质。
优选地，本发明所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料组分还含有Gd、Cr、 Al中任意一种元素或任意几种元素，其质量百分比组成为：Gd≤50.0％，Cr≤10.0％，Al≤ 10.0％。
进一步优选地，本发明所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料主要成分按照如 下质量百分比组成：C：0.05-2.55％，Zr：0.05-8.0％，且满足C≤1.3％+0.25Zr，Gd≤10.0％， Cr≤10.0％，Al≤10.0％，其余成分为钇和不可避免的杂质。
优选地，本发明所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料成分按照如下质量百分 比组成：C：0.3-0.9％，Zr：3.0-8.0％，Gd：0-8.0％，Cr：0-5.0％，Al：0-5.0％，其余成分为 钇和不可避免的杂质。
优选地，本发明所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的合金材料晶粒大小在 5～20μm。
一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，采取如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比组成进行 原料配料：C：0.05-5.05％，Zr：0.05-15.0％，且满足C≤1.3％+0.25Zr，其余原料成分为钇和 不可避免的杂质，将配料后称量的全部原料进行特种冶炼，得到合金熔体，并浇铸成型；
b.将上所述步骤a中制备的合金铸锭依次经热锻或热压、热轧、冷轧、退火和氢化工艺， 最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料板材。
优选地，在所述步骤a中，采用特种真空熔炼工艺，将准备的原料放入特种真空炉中， 抽真空至3×10-3Pa以上，然后通入高纯度的氩气作为保护气体；然后进行升温加热，按照不 低于10×℃/min的升温速率，升温至1700℃左右，并保温熔炼至少10min，得到合金熔体， 并浇铸成型；
优选地，在所述步骤b中，将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型得到的合金铸锭 进行热压、热轧处理，其中，控制热压加工温度不低于800℃，热轧温度不低于850℃，反复 轧制至少3次，然后进行冷轧轧制至少3次；然后进行氩气保护气氛退火热处理和氢化工艺 热处理，随后冷却至室，最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料板材。
优选地，在所述步骤b中，所制备的高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的成分按 照如下质量百分比组成：C：0.3-0.9％，Zr：3.0-8.0％，Gd：0-8.0％，Cr：0-5.0％，Al：0-5.0％， 其余成分为钇和不可避免的杂质。
一种本发明所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的应用，在高温600-1000℃ 环境下，将耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料作为耐高温中子屏蔽用材料进行使用。
优选地，将所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料用作制备空间堆和车载堆中 至少一种移动堆中的中子屏蔽体。
本发明原理：
Y具有较小的密度，氢化钇具有较高的分解温度，在高温下具有优异屏蔽快中子的能力。
Zr元素能更多地在高温固溶于钇中，起固溶强化作用，同时氢化锆也具有较好的屏蔽快 中子的能力，本发明优选Zr的用量为0.05-8.0％。
C元素能更多地在高温固溶于钇中，对快中子具有一定屏蔽作用，同时与锆形成ZrC， 起细化晶粒的作用，本发明优选C的用量为0.05-2.55％，且满足C≤1.3％+0.25Zr。
Gd元素的热中子吸收截面达46000ba，是所有元素中热中子吸收截面最大的，氢化钆具 有较高的分解温度，在高温下具有优异屏蔽快中子和热中子的能力，本发明优选Gd的用量 ≤10.0％。
Cr元素是能提高钇基合金的高温抗氧化性，本发明优选Cr的用量≤10.0％。
Al元素是能提高钇基合金的高温抗氧化性，本发明优选Al的用量≤10.0％。
本发明所述的耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的应用，作为轻质高效中子屏 蔽的钇基合金材料使用，用作制备空间堆和车载堆等移动堆中的中子屏蔽体材料。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.与目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2相比，本发明中子屏蔽用钇基合金材料使用温度 更高，可在高温600-1000℃环境下可以使用，是一种高效率耐高温的中子屏蔽材料；
2.本发明轻质高效中子屏蔽钇基合金材料在其成分范围内经热轧或热压、退火处理及氢 化处理等工艺后，由于晶粒细小其具有较高的强度和韧性，同时钆又具有较大的热中子吸收 截面，可以吸收热中子，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材 料，是一种高效率耐高温中子复合屏蔽材料；
3.本发明轻质高效中子屏蔽的钇基合金材料密度低、强强高、耐高温、塑韧性好、耐腐 蚀、耐辐照，生产工艺简单；本发明轻质高效中子屏蔽的钇基合金材料可以用作空间堆和车 载堆等移动堆中的中子屏蔽体。
具体实施方式：
下述实施例耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料，其成分按照如下质量百分比组 成：
C：0.3-0.9％，Zr：3.0-8.0％，Gd：0-8.0％，Cr：0-5.0％，Al：0-5.0％，其余成分为钇和 不可避免的杂质。
下述实施例耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，采用如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比组成进行 原料配料：C：0.3-0.9％，Zr：3.0-8.0％，Gd：0-8.0％，Cr：0-5.0％，Al：0-5.0％，其余原料 成分为钇和不可避免的杂质；采用特种真空熔炼工艺，将准备的原料放入特种真空炉中，抽 真空至3×10-3Pa以上，然后通入高纯度的氩气作为保护气体；然后进行升温加热，按照不低 于10×℃/min的升温速率，升温至1700℃，并保温熔炼至少10min，得到合金熔体，并浇铸 成型；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型得到的合金铸锭进行热压、热轧处理，其 中，控制热压加工温度不低于800℃，热轧温度不低于850℃，反复轧制至少3次，然后进行 冷轧轧制至少3次；然后进行氩气保护气氛退火热处理和氢化工艺热处理，随后冷却至室， 最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料板材。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比组成进 行原料配料：
Zr 5.0％
C 0.3％
Y 余量
将配料后称量的原料混合，然后进行真空熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻或热 压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。
经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的合金材料晶粒大小在5～20μm，可以用 作中子屏蔽材料，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材料， 是一种高效率耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比组成进 行原料配料：
Zr 8.0％
C 0.7％
Y 余量
将配料后称量的原料混合，然后进行真空熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻或热 压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。
经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的合金材料晶粒大小在5～20μm，可以用 作中子屏蔽材料，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材料， 是一种高效率耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比组成进 行原料配料：
将配料后称量的原料混合，然后进行真空熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻或热 压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得耐高温中子复合屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。
经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的合金材料晶粒大小在5～20μm，可以用 作中子复合屏蔽材料，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材 料，是一种高效率耐高温中子复合屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。
实施例四：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比组成进 行原料配料：
将配料后称量的原料混合，然后进行真空熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻或热 压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得耐高温中子复合屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。
经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的合金材料晶粒大小在5～20μm，可以用 作中子复合屏蔽材料，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材 料，是一种高效率耐高温中子复合屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。
实施例五：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比组成进 行原料配料：
将配料后称量的原料混合，然后进行真空熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻或热 压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。
经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的合金材料晶粒大小在5～20μm，可以用 作中子屏蔽材料，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材料， 是一种高效率耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。
实施例六：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比组成进 行原料配料：
将配料后称量的原料混合，然后进行真空熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻或热 压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。
经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的合金材料晶粒大小在5～20μm，可以用 作中子屏蔽材料，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材料， 是一种高效率耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。
实施例七：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比组成进 行原料配料：
将配料后称量的原料混合，然后进行真空熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻或热 压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得耐高温中子复合屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。
经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的合金材料晶粒大小在5～20μm，可以用 作中子复合屏蔽材料，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材 料，是一种高效率耐高温中子复合屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。
实施例八：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，采用的原料成分按照如下质量百分比组成进 行原料配料：
将配料后称量的原料混合，然后进行真空熔炼，得到合金熔体；
b.将在所述步骤a中制备的合金熔体浇铸成型，将浇铸得到的合金铸锭依次经热锻或热 压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得耐高温中子复合屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。
经过实验测试，测试结果表明，本实施例制备的合金材料晶粒大小在5～20μm，可以用 作中子复合屏蔽材料，是未来替换目前中子屏蔽用LiH、ZrH2和TiH2等系列的最佳候选材 料，是一种高效率耐高温中子复合屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料。
综上所述，上述实施例轻质高效耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料，其主要成 分按照如下质量百分比(％)组成：C：0.05-5.05，Zr：0.05-15.0，且满足C≤1.3+0.25Zr，其余 原料成分为钇和不可避免的杂质。作为本发明的进一步技术方案，所述轻质高效耐高温中子 屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料：：C：0.05-2.55，Zr：0.05-5.0，且满足C≤1.3+0.25Zr，Gd ≤10.0，或Cr≤10.0，或Al≤10.0，其余成分为钇和不可避免的杂质。经配料、特种真空熔 炼工艺得到合金熔体；经浇铸成型，再经热锻或热压、热轧、退火及氢化等工艺，最终制得 一种轻质高效耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金板材。本发明上述实施例轻质高效耐高 温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料具有晶粒细小、强韧性好、耐腐蚀等优点。
上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发 明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、 替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发 明轻质高效耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料及其制备方法的技术原理和发明构 思，都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料，其特征在于，其主要成分按照如下质量百分比组成：
C：0.05-5.05％，Zr：0.05-15.0％，且满足C≤1.3％+0.25Zr，其余成分为钇和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料，其特征在于，其组分还含有Gd、Cr、Al中任意一种元素或任意几种元素，其质量百分比组成为：Gd≤50.0％，Cr≤10.0％，Al≤10.0％。
3.根据权利要求1或2所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料，其特征在于，其主要成分按照如下质量百分比组成：
C：0.05-2.55％，Zr：0.05-8.0％，且满足C≤1.3％+0.25Zr，Gd≤10.0％，Cr≤10.0％，Al≤10.0％，其余成分为钇和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料，其特征在于，其成分按照如下质量百分比组成：
C：0.3-0.9％，Zr：3.0-8.0％，Gd：0-8.0％，Cr：0-5.0％，Al：0-5.0％，其余成分为钇和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料，其特征在于：其合金材料晶粒大小在5～20μm。
6.一种耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，其特征在于，采用如下步骤：
a.采用特种真空熔炼工艺，在原料配料时，主要原料成分按照如下质量百分比组成进行原料配料：C：0.05-5.05％，Zr：0.05-15.0％，且满足C≤1.3％+0.25Zr，其余原料成分为钇和不可避免的杂质，将配料后称量的全部原料进行特种冶炼，得到合金熔体，并浇铸成型；
b.将上所述步骤a中制备的合金铸锭依次经热锻或热压、热轧、冷轧、退火和氢化工艺，最终制得耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料板材。
7.根据权利要求6所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，所制备的高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的成分按照如下质量百分比组成：
C：0.3-0.9％，Zr：3.0-8.0％，Gd：0-8.0％，Cr：0-5.0％，Al：0-5.0％，其余成分为钇和不可避免的杂质。
8.一种权利要求1所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的应用，其特征在于，在高温600-1000℃环境下，将耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料作为耐高温中子屏蔽用材料进行使用。
9.根据权利要求8所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料的应用，其特征在于：将所述耐高温中子屏蔽用抗氢致开裂钇基合金材料用作制备空间堆和车载堆中至少一种移动堆中的中子屏蔽体。
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