CN116024473A - 一种高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金及应用，高温高中子增殖率的铍钨合金，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Bea(WbMc)Xd，其中M为Re,Zr,Y,Mg,Ti,V,Mn,Fe,Co,Cr,W,Mo,Nb,Pb,Bi,Ta,Hf,Tl中的一种或多种，X为O,C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U中的一种或多种，63≤a≤97,3≤b≤37,0≤c≤37,0≤d≤3，且a+b+c+d＝100。本发明的铍钨合金具有大的成分范围以及宽泛的制备条件，及优异的高温性能，熔点在2200℃左右，中子增殖率在0.96左右，优异的抗辐照肿胀性能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金及应用。
背景技术
核聚变能作为国际公认的清洁能源，正逐步走入人们的视野。在核聚变堆中，中子增殖剂是实现聚变燃料氚的自持乃至最终聚变能的商业应用的重要因素。
铍，一种优良的中子增殖材料。铍的中子在原子核中的结合能小(1.666MeV)，相当于大多数稳定原子能量的1/5～1/6，通过高能粒子的轰击包括(n,2n)反应容易释放出中子，从而实现中子的增殖。金属铍，在400℃以下，嬗变He注入量3000appm以下，辐照肿胀不明显(<3％)，被选为ITER核聚变应堆包层中的中子增殖剂。但是，未来商用可控聚变堆(DEMO)环境更为苛刻，运行温度更高(600～900℃)，辐照剂量更大，氦注量也高达20000appm，铍的辐照肿胀就特别明显(>3％)，可能危及反应堆的运行。
铍的金属间化合物，如Be12Ti，引起了研究者们的注意，国外尤其是日本对Be12Ti进行了大量的研究。但是，由于Ti的加入，Be12Ti的中子增殖性能下降较大，而且韧性很差，极不利于铍钛合金及中子增殖剂小球的生产使用。钨具有高熔点、低活化、能和铍形成耐高温的金属间化合物等优点，同时也具有韧性差、加工性能差等缺点。因此，研究具有更高的韧性和更高的中子增殖性能的铍钨新合金，在聚变中子增殖领域乃至高温领域都具有重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金及应用，用于解决现有技术中存在的上述问题。
一种高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Bea(WbMc)Xd，其中M为Re,Zr,Y,Mg,Ti,V,Mn,Fe,Co,Cr,W,Mo,Nb,Pb,Bi,Ta,Hf,Tl中的一种或多种，X为O,C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U中的一种或多种，63≤a≤97,3≤b≤37,0≤c≤37,0≤d≤3，且a+b+c+d＝100。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当0<d≤2,0≤c≤2.17,c<b≤4.35,93.65≤a≤97时，所述铍钨合金包括面心立方结构相和密排六方结构相，晶粒尺寸≤80um。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当d＝0,0<c≤2.17,0<c<b≤4.35,a＝95.65时,所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be95.65(W,M)4.35，所述铍钨合金为面心立方结构，晶粒尺寸≤80um。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当d＝0,2<c≤3.84,c<b≤7.69,a＝92.31时,所述铍钨合金材料成分的原子比表达式为Be92.31(W,M)7.69,所述铍钨合金包括四方结构和面心立方结构，晶粒尺寸≤80um。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当0<d≤2,0<c≤3.84c<b≤7.69,90.31<a<95.65时，所述铍钨合金包括面心立方相和四方结构相，晶粒尺寸≤80um。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当0<d≤2,0<c≤18.5,c<b≤37,61≤a<92.31时，所述铍钨合金包括四方结构相和六方结构相，晶粒尺寸≤80um。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当d＝1.98,c＝1.75,b＝7.41,a＝88.86，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be88.86W7.41M1.75X1.98，包括四方结构相和六方结构相，晶粒尺寸≤80um。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述铍钨合金的熔点在2200℃左右，中子增殖率在0.96左右。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当d＝1.98,c＝1.75,b＝4.19,a＝92.08时，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be92.08W4.19M1.75X1.98，为面心立方结构，晶粒尺寸≤80um。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当d＝1.98,c＝1.75,b＝2.51,a＝93.76，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be93.76W2.51M1.75X1.98，为面心立方结构，晶粒尺寸≤80um。
本发明还提供了一种高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金在聚变堆用中子增殖剂中的应用。
本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
本发明的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Bea(WbMc)Xd，具有如下优点：
1、铍钨合金具有大的成分范围以及宽泛的制备条件。
2、可以通过对合金成分、热处理、冷热加工技术等的调整，控制相组成和细化晶粒等，获得不同的高温性能，力学性能及中子增殖性能。
3、本发明提供的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金材料的主要元素为通用的金属原料和化合物，且可用不同制备方法制备，具有制备方便，工艺简单，经济等优点。
4、本发明所制备得到的铍钨合金具有优异的高温性能，熔点在2200℃左右，中子增殖率在0.96左右，优异的抗辐照肿胀性能和力学性能。
5、本发明所提供的铍钨合金兼具优异的力学性能，高温性能，优异的抗辐照肿胀性能和中子增殖性能，可广泛的适用于中子增殖领域、面向等离子体材料领域和高温材料领域。
附图说明
图1为本发明的实施例1的铍钨合金的相组成SEM图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Bea(WbMc)Xd，其中M为Re,Zr,Y,Mg,Ti,V,Mn,Fe,Co,Cr,W,Mo,Nb,Pb,Bi,Ta,Hf,Tl中的一种或多种，X为O,C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U中的一种或多种，63≤a≤97,3≤b≤37,0≤c≤37,0≤d≤3，且a+b+c+d＝100。
本发明的铍钨合金，利用中子增殖核素如Be、Zr、大尺寸原子难熔金属元素、低活化元素如W、Re等的掺杂，辅助相如Be95.65Re4.35等，获得具有高温和高中子增殖率特征的铍钨合金，应用于聚变堆用中子增殖剂材料、面向等离子体及其它高温环境下的结构和功能材料。
进一步，本发明的高韧性高中子增殖率的铍钨合金，当0<d≤2,0≤c≤2.17,c<b≤4.35,93.65≤a≤97时，所述铍钨合金由面心立方结构相和密排六方结构相组成，晶粒尺寸≤80um，具有高的韧性和高的中子增殖性能(>0.96)。
进一步，当d＝0,0<c≤2.17,0<c<b≤4.35,a＝95.65,所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be95.65(W,M)4.35，合金为面心立方结构，晶粒尺寸≤80um，高的中子增殖性能(0.96)，高的韧性、优良的氚滞留性能、优良的抗辐照肿胀性能。。
进一步，当d＝1.98,c＝1.75,b＝2.51,a＝93.76，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be93.76W2.51M1.75X1.98，合金为面心立方结构，晶粒尺寸≤80um，具有优异的高温性能，高的中子增殖率0.96，优异的断裂韧性、氚滞留和抗辐照肿胀性能。
当0<d≤2,0<c≤3.84c<b≤7.69,90.31<a<95.65时，所述铍钨合金由面心立方和四方结构相组成，晶粒尺寸≤80um，具有高的中子增殖率(>0.92)，优异的氚滞留和抗辐照肿胀性能。。
进一步，当d＝1.98,c＝1.75,b＝4.19,a＝92.08，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be92.08W4.19M1.75X1.98，合金为面心立方结构，晶粒尺寸≤80um，具有优异的中子增殖性能(>0.96),优异的断裂韧性、氚滞留和抗辐照肿胀性能。
进一步，当d＝0,2<c≤3.84,c<b≤7.69,a＝92.31,所述铍钨合金材料成分的原子比表达式为Be92.31(W,M)7.69,合金由四方结构和面心立方结构相组成，晶粒尺寸≤80um，具有高的中子增殖性能>0.92，具有优异的氚滞留和抗辐照肿胀性能。
进一步，当0<d≤2,0<c≤18.5,c<b≤37,61≤a<92.31时，所述铍钨合金由四方和六方结构相组成，晶粒尺寸≤80um，具有优异的高温性能、氚滞留和抗辐照肿胀性能。
进一步，当d＝1.98,c＝1.75,b＝7.41,a＝88.86，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be88.86W7.41M1.75X1.98，合金为四方结构和六方结构相组成，晶粒尺寸≤80um，具有优异的高温性能(熔点超过2200℃)、氚滞留和抗辐照肿胀性能。
现描述制备本发明的铍钨合金的方法。
本发明制备铍钨合金及以其做为原料制备中子倍增剂铍钨合金小球的制备方法，采用热等静压法、等离子体烧结法、旋转电极法和粉末冶金法。
采用热等静压法制备铍钨合金包括如下步骤：
S1.将纯铍粉、钛粉及其它原料，按化学成分配比进行配料；
S2.然后将配比的金属粉末拼混，然后灌装入金属包壳(包套)中进行高真空封焊，采用热等静压方法压制成锭。此时的制造条件如下:
压强：100～1000MPa，
温度：700～1300℃，
时间：0.5～6h。
等离子烧结法制备铍钨合金包括如下步骤：
S1.将纯铍粉、钛粉及其它原料，按化学成分配比进行配料；
S2.然后将配比的金属粉末拼混，然后进行真空等离子体快速烧结，成型。此时的烧结条件描述如下：
真空度：1×10-1pa～1×10-10Pa
温度：700～1300℃
时间：0.5～6h
粉末冶金法：
制造中子倍增剂铍钨合金微小球，首先采用前述的方法制备中子倍增材料铍钨合金作为材料，然后将该材料装入模具中，破碎，球化后制得。
旋转电极法：
利用旋转电极法制备本发明的中子增殖剂铍钨合金微小球，首先采用前述方法制备铍钨合金作为消耗电极的材料，对材料进行机械加工后，制造出规定的电极形状，从而得到消耗电极的铍钨合金棒。接着，利用制备的消耗电极，通过旋转电极法制造中子增殖剂铍钨合金微小球。此时的制造条件并没有特别限定，关于优选条件的描述如下：
·气氛气体压力:60MPa～1100MPa
·电弧电流:100～1000A
·消耗电极旋转速度:5～1000m/s
【实施例】
实施例1
一种高温高中子增殖率的铍钨合金，其成分为：Be：90.93at.％，W:6.58at.％,O:0.97at.％,其它元素包括C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U总含1.52at.％,采用热等静压法制备，温度1000℃，时间1.5h，如图1所示，该合金由面心立方Be95.65W4.35和四方Be92.31W7.69相组成，晶粒尺寸≤80um，中子增殖率在0.92～0.96之间，高温性能和抗辐照肿胀性能优良，性能如表1所示，表明该合金特别适用于中子增殖领域和高温领域。
表1：
对表1中各性能进行如下说明。
中子增殖性能，是指构成合金的元素的中子倍增性能，以中子增殖率来进行评价，考虑到铍是天然优良的中子增殖材料，因此用铍作为对比材料(中子增殖率设为1)，其它材料性能越接近1则表明中子增殖性能越好。
氚滞留性能(可将氚注入到材料后，测量其在材料中的滞留情况，是材料重要的一项性能)，由于聚变中子增殖剂的目的是实现氚燃料自持，因此氚在材料中的滞留也很重要，采用升温解析气体分析仪(TDS)测量氚滞留情况。即根据氚滞留的程度，优(滞留极少)，中(滞留部分)，差(滞留很多)。
抗辐照肿胀性能，中子辐照材料会产生大量的空位，这些空位进一步迁移聚集会形成空洞等空位团簇，造成材料的体积肿胀，金属铍在高温400℃氦注量3000appm的条件下，辐照肿胀率>3％，危及反应堆安全运行，设为抗肿胀性能差，并以它作为对比，辐照肿胀率1～3％，为中，辐照肿胀率小于1％为优。
其它性能为本行业领域所公知的，不再特别说明。由于材料成分、热处理工艺、冷热加工工艺等的不同，使得材料的相组成、晶粒尺寸等的不同，从而调控材料的各种性能。如表1中序号1的合金，其成分为铍和钛，通过适当的退火，可得单相Be92.31Ti7.69，该单相为四方结构相，经测得其中子增殖率～0.92，氚滞留性能优良，但是断裂韧性和加工性能特别差、后期成球率特别低严重限制了其的应用。本发明以铍和钨为主要元素、辅以Re、Zr等其他元素、利用中子增殖核素如Be、Zr、大尺寸原子难熔金属元素、低活化元素如W、Re等的掺杂，辅助相如Be95.65Re4.35等结合工艺控制材料的晶粒尺寸，从而提高铍钨合金的中子增殖率等各项性能。
实施例2
一种高温高中子增殖率的铍钨合金，其成分为：Be：93.74at.％，W:4.26at.％,O:0.97at.％,其它元素包括C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U等总含量1.03at.％,采用热等静压法制备，温度1000℃，时间1.5h，1200℃真空退火2h，合金由面心立方Be95.65W4.35组成，提高了中子倍增核素铍的占比，晶粒尺寸<80um，中子增殖率高达0.96，高温性能和抗辐照肿胀性能优良，性能如表1所示，表明该合金特别适用于中子增殖领域。
实施例3
一种高温高中子增殖率的铍钨合金，其成分为：Be：90.46at.％，W:7.54at.％,O:0.97at.％,其它元素包括C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U等总含量1.03at.％,采用热等静压法制备，温度1000℃，时间1.5h，1200℃真空退火3.5h，合金由四方Be92.31W7.69组成，晶粒尺寸<80um，中子增殖率为0.92，高温性能和抗辐照肿胀性能优良，性能如表1所示，表明该合金适用于中子增殖领域和高温领域。
实施例4
一种高温高中子增殖率的铍钨合金，其成分为：Be:89.52at.％,W:8.28at.％,O:1.01at.％,其它元素包括C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U等总含量1.19at.％,采用等离子体烧结法制备，温度1000℃，时间1.0h，合金由Be92.31W7.69和W相组成，晶粒尺寸<80um，中子增殖率在0.67～0.92之间，高温性能和抗辐照肿胀性能优良，性能如表1所示，表明该合金适用于中子增殖领域和高温领域。
实施例5
一种高温高中子增殖率的铍钨合金，其成分为：Be：65.33at.％，W:32.67at.％,O:0.97at.％,其它元素包括C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U等总含量1.03at.％,采用热等静压法制备，温度1200℃，时间1.5h，1400℃真空退火3.0h，合金由六方Be66.67W33.33相组成，晶粒尺寸<80um，中子增殖率为0.67，高温性能和抗辐照肿胀性能优良，性能如表1所示，表明该合金特别适用于高温领域。
实施例6
一种高温高中子增殖率的铍钨合金，其成分为：Be：93.74at.％，W:2.21at.％,Re:2.05at.％,O:0.97at.％,其它元素包括Si,S,Al,Fe,Mg,As,Ti,Cr,Mn,Co,Ni,Cu,W,U等总含量1.03at.％,采用热等静压法制备，温度1000℃，时间1.5h，1200℃真空退火2h，合金由Be95.65W4.35和Be95.65Re4.35相组成，晶粒尺寸<80um，中子增殖率高达0.96，高温性能和抗辐照肿胀性能优良，性能如表1所示，表明该合金特别适用于中子增殖领域和高温领域。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Bea(WbMc)Xd，其中M为Re,Zr,Y,Mg,Ti,V,Mn,Fe,Co,Cr,W,Mo,Nb,Pb,Bi,Ta,Hf,Tl中的一种或多种，X为O,C,N,P,S,Si,Al,Ca,Sc,Ni,Cu,U中的一种或多种，63≤a≤97,3≤b≤37,0≤c≤37,0≤d≤3，且a+b+c+d＝100。
2.根据权利要求1所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，当0<d≤2,0≤c≤2.17,c<b≤4.35,93.65≤a≤97时，所述铍钨合金包括面心立方结构相和密排六方结构相，晶粒尺寸≤80um。
3.根据权利要求1所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，当d＝0,0<c≤2.17,0<c<b≤4.35,a＝95.65时,所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be95.65(W,M)4.35，所述铍钨合金为面心立方结构，晶粒尺寸≤80um。
4.根据权利要求1所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，当d＝0,2<c≤3.84,c<b≤7.69,a＝92.31时,所述铍钨合金材料成分的原子比表达式为Be92.31(W,M)7.69,所述铍钨合金包括四方结构和面心立方结构，晶粒尺寸≤80um。
5.根据权利要求1所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，当0<d≤2,0<c≤18.5,c<b≤37,61≤a<92.31时，所述铍钨合金包括四方结构相和六方结构相，晶粒尺寸≤80um。
6.根据权利要求1所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，当d＝1.98,c＝1.75,b＝7.41,a＝88.86，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be88.86W7.41M1.75X1.98，包括四方结构相和六方结构相，晶粒尺寸≤80um。
7.根据权利要求1所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，所述铍钨合金的熔点在2200℃左右，中子增殖率在0.96左右。
8.根据权利要求1所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，当0<d≤2,0<c≤3.84,c<b≤7.69,90.31<a<95.65时，所述铍钨合金包括面心立方和四方结构相，晶粒尺寸≤80um。
9.根据权利要求1所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金，其特征在于，当d＝1.98,c＝1.75,b＝2.51,a＝93.76，所述铍钨合金材料成分的原子百分比表达式为Be93.76W2.51M1.75X1.98，为面心立方结构，晶粒尺寸≤80um。
10.一种权利要求1-9任一项所述的高温高韧性高中子增殖率的铍钨合金在聚变堆用中子增殖剂中的应用。
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| US20050135960A1 (en) * | 2002-04-08 | 2005-06-23 | Ngk Insulators, Ltd. | Material including beryllium intermetallic compound and having excellent high-temperature property applied to nuclear fusion reactor |
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