CN116750718B - 一种氢化铪中子吸收材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氢化铪中子吸收材料及其制备方法，涉及金属冶炼技术领域，所述方法包括：步骤1：将金属铪与合金元素熔炼后、再进行锻造得到铪合金；步骤2：将所述铪合金采用直接氢化法，得到氢化铪中子吸收材料。本发明通过合金元素的引入，抑制了氢化裂纹的产生，改善了氢化铪的力学性能和脆性，而且合金元素在中子吸收材料表面形成多元复合氧化物膜层，该氧化物膜可以阻止氢化铪中子吸收材料中的氢向外溢出，由此减缓了氢在高温下的损失，进而延长了氢化铪中子吸收材料的使用寿命。此外，通过氢化工艺控制，避免了氢化过程中氢化裂纹等缺陷的产生，得到的高氢含量氢化铪满足快中子反应堆、空间堆、核动力舰艇等堆型控制棒的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及金属冶炼技术领域，特别涉及一种氢化铪中子吸收材料及其制备方法。
背景技术
快中子反应堆是第四代核反应堆中最具代表性的堆型，它可以显著提高铀燃料的利用效率，实现裂变材料的增殖，同时快堆的核燃料富集度、功率密度都显著高于热堆，是人类未来依靠核能终极解决能源问题的重要方案。此外，快堆的高放废物产率也明显更低，同时可以处置长寿命裂变产物和锕系核素，有助于解决核能发展中存在的生态问题实现核能生态的可持续发展。由于快堆中激发链式反应的是能量超过0.1MeV的高能中子，因此对反应堆的控制棒材料也提出了更高的要求，需要有较大且稳定的中子吸收截面，良好的抗辐照损伤性能。而传统的B4C、Ag-In-Cd合金等因为存在辐照损伤严重、熔点低、辐照产生氦气等问题，不能满足快堆的此要求。
氢化铪是一种全新的中子吸收材料，氢的引入使氢化铪的中子吸收截面相比金属铪大幅上升，同时还具有更好的抗腐蚀、抗辐照能力。即便原子比只有1:1的氢化铪高能中子吸收截面物理效率就和80％10B的B4C相当。由于氢化铪还具有一定的慢化作用，其相比于B4C控制棒对周围燃料功率的削弱作更小，因此使用氢化铪控制棒可以使堆型的功率分布更加均匀。
上述研究和应用背景都表明，氢化铪是极具应用前景的快中子堆控制棒材料，并且完全能够满足快中子反应堆的各种要求(如较大且稳定的中子吸收截面、良好的抗辐照损伤性能)。但是，氢化铪自身还存在一定的问题，如在作为快中子反应堆中子吸收材料时，氢化铪会在高温下失氢从而导致中子吸收效率下降、且脆性材料氢化铪其内应力的存在会导致材料力学性能进一步变差。此外，制备高氢含量的氢化铪时很容易产生氢化裂纹。
因此，在冶金技术领域，如何制备得到一种高氢含量、兼顾一定力学性能、且在高温下氢损失率低的中子吸收材料成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种氢化铪中子吸收材料制备的方法，所述方法包括：
步骤1：将金属铪与合金元素熔炼后、再进行锻造得到铪合金；
步骤2：将所述铪合金采用直接氢化法，得到氢化铪中子吸收材料。
优选地，所述合金元素为Cr、Ni、Ta、Nb、Mo、Al、Y、Si中任意一种或多种。
优选地，所述氢化铪中子吸收材料中氢的质量分数为0.05wt％～1wt％。
优选地，所述金属铪为核级海绵铪、高纯铪粉、碘化结晶铪、电解铪中的任意一种。
优选地，所述铪合金中一种或多种所述合金元素的总质量占比为0.1％～5.0％，余量为所述金属铪。
优选地，所述铪合金中一种或多种所述合金元素的总质量占比为1.0％～2.0％。
优选地，所述步骤1包括：
将所述金属铪与所述合金元素采用电子束熔炼或电弧熔炼方式熔炼成所述铪合金锭；
将所述铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的所述铪合金。
优选地，所述直接氢化法的过程中，氢化温度为600℃～1100℃，氢化时间为1h～60h，氢气压力为0.01Mpa～0.15Mpa，氢气纯度≥99.999％。
优选地，所述将所述铪合金锭采用直接氢化法之后，所述方法还包括：
将所述铪合金锭采用直接氢化法后，再采用慢丝线切割加工后进行表面清洗，得到所述氢化铪中子吸收材料。
第二方面，本发明提供了一种上述第一方面制备方法得到的氢化铪中子吸收材料，所述氢化铪中子吸收材料中氢的质量分数为0.05wt％～1wt％。
与现有技术相比，本发明具备以下优点：
本发明提供了一种氢化铪中子吸收材料及其制备方法，涉及金属冶炼技术领域，所述方法包括：步骤1：将金属铪与合金元素熔炼后、再进行锻造得到铪合金；步骤2：将所述铪合金采用直接氢化法，得到氢化铪中子吸收材料。本发明通过合金元素的引入，抑制了氢化裂纹的产生，改善了氢化铪的力学性能和脆性，而且合金元素在中子吸收材料表面形成多元复合氧化物膜层，该氧化物膜可以阻止氢化铪中子吸收材料中的氢向外溢出，由此减缓了氢在高温下的损失，进而延长了氢化铪中子吸收材料的使用寿命。此外，通过氢化工艺控制，避免了氢化过程中氢化裂纹等缺陷的产生，得到的高氢含量、无宏观缺陷的氢化铪满足快中子反应堆、空间堆、核动力舰艇等堆型控制棒的使用要求。
本发明中，合金元素的引入，一方面，可在氢化过程中抑制氢化裂纹的产生，进而改善氢化铪的力学性能和脆性；另一方面，将本发明得到的氢化铪中子吸收材料用于反应堆中后，在反应堆中的氧化性气氛下氢化铪中子吸收材料表面的多种合金元素会形成多元复合氧化物膜层，该氧化物膜可以阻止氢化铪中子吸收材料中的氢向外溢出，由此减缓了氢在高温下的损失，进而延长了氢化铪中子吸收材料的使用寿命，避免了失氢导致的中子吸收效率下降、材料脆性大以及力学性能较差等问题。此外，该多元复合氧化物膜层还能进一步提高氢化铪基体的抗氧化、抗腐蚀能力。
通过熔炼和锻造的方式，得到内部无缺陷、组织细密、化学成分均匀的铪合金，有助于抑制氢化过程中裂纹等缺陷的萌生和扩展；化学成分均匀的铪合金，氢化后的氢分布也是较为均匀的，进而后续得到的氢化铪中子吸收材料的中子吸收效率在不同的位置也是较为均匀的。再通过对氢化的工艺控制减少内应力，以避免氢化过程中氢化裂纹等缺陷的产生，最终得到无裂纹的、高氢含量的氢化铪中子吸收材料。通过上述制备方法得到的氢化铪中子吸收材料具有氢含量高、无宏观缺陷、微观组织均匀等优点，以及在工况条件下抗氧化、抗腐蚀能力好，足以满足快中子反应堆、空间堆、核动力舰艇等堆型控制棒的使用要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种氢化铪中子吸收材料的制备方法流程图；
图2为本发明实施例1氢化铪中子吸收材料的扫面电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的实例、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
将氢化铪中子吸收材料用于反应堆时，其中铪的作用是吸收中子，氢的作用是慢化中子以提高铪的中子吸收效率。当反应堆中的温度升温至400℃、500℃时，反应堆中的氢化物中子吸收材料中的氢会被缓慢释放，即高温下中子吸收材料中的氢会被损失，由此中子吸收材料的中子吸收效率就下降了，且由于氢化裂纹的产生导致材料的材料脆性变大、力学性能较差。
氢化物材料本身比较脆。此外，当氢化物中氢含量越高，材料脆性越大，导致材料受到辐照、热应力、机械力作用时容易发生开裂，从而影响材料的中子吸收效率。
有鉴于此，本发明通过引入合金元素，一方面，可在氢化过程中抑制氢化裂纹的产生，进而改善氢化铪的力学性能和脆性；另一方面，合金元素在中子吸收材料表面形成多元复合氧化物膜层，该氧化物膜可以抑制氢化铪中子吸收材料中的氢向外溢出，减缓了氢在高温下的损失，进而提升了氢化铪中子吸收材料使用寿命。本发明还通过对氢化的工艺控制，避免了氢化裂纹的产生，使得材料无宏观缺陷，得到的高氢含量的中子吸收材料不容易开裂，从而材料的结构较为完整、中子吸收效率较好。
第一方面，本发明提供了一种氢化铪中子吸收材料的制备方法，参照图1，图1为本发明提供的一种氢化铪中子吸收材料的制备方法流程图，所述方法包括：
S101，将金属铪与合金元素熔炼后、再进行锻造得到铪合金；
S102，将所述铪合金采用直接氢化法，得到氢化铪中子吸收材料。
本发明通过引入合金元素，一方面，可在氢化过程中抑制氢化裂纹的产生，进而改善氢化铪的力学性能和脆性；另一方面，在氢化铪在服役环境下合金元素会在材料表面形成致密膜层从而减缓氢的泄露：将本发明得到的氢化铪中子吸收材料用于反应堆中后，在反应堆中的氧化性气氛下氢化铪中子吸收材料表面的多种合金元素会形成多元复合氧化物膜层，该氧化物膜可以抑制氢化铪中子吸收材料中的氢向外溢出，由此减缓了氢在高温下的损失，进而氢化铪中子吸收材料的中子吸收效率不会明显下降，延长了氢化铪中子吸收材料的使用寿命。此外，该多元复合氧化物膜层还能进一步提高氢化铪基体的抗氧化、抗腐蚀能力。
本发明实施例中，采用电子束熔炼或电弧熔炼方式将金属铪原料及合金元素熔炼为内部无缺陷金属铪合金锭，由此保证得到的铪合金在后续的氢化过程中不会由于该内部缺陷在氢脆的作用下进一步发生扩展，以避免进一步萌生和扩展成宏观缺陷，再进一步影响材料的中子吸收能力；再对铪合金锭进行锻造，以得到组织细密、化学成分均匀的铪合金(铪合金锻件)，使得在后续氢化时析氢的应力是均匀的，使得材料不会过脆，并且氢化后的的氢分布也是较为均匀的，进而后续得到的氢化铪中子吸收材料的中子吸收效率在不同的位置也是较为均匀的；在高真空条件下通入氢气，对铪合金进行高温氢化，得到无裂纹的、高氢含量的氢化铪中子吸收材料：(1)通过对氢化的工艺控制减少内应力，避免了氢化裂纹的产生，使得材料无宏观缺陷，得到的氢化铪中子吸收材料不容易开裂，进而材料的结构完整、中子吸收效率较好。通过上述制备方法得到的氢化铪中子吸收材料具有氢含量高、无宏观缺陷、微观组织均匀、工况条件下抗氧化能力好等优点，足以满足快中子反应堆、空间堆、核动力舰艇等堆型控制棒的使用要求。
需要说明的是，当材料中存在内应力的时候力学性能会变差，并且易产生裂纹。因此本发明通过对氢化工艺的控制，减少了内应力。
优选地，所述合金元素为Cr、Ni、Ta、Nb、Mo、Al、Y、Si中任意一种或多种。
具体实施时，Cr、Ni、Ta、Nb、Mo、Al、Y、Si的引入，一方面，可在氢化过程中抑制氢化裂纹的产生，进而改善氢化铪的力学性能和脆性(需要说明的是，氢化裂纹会影响材料的力学性能)；另一方面，由于将氢化铪中子吸收材料用于反应堆时，其中子吸收的作用是依靠其中的氢和铪共同作用来实现的，而氢化物的氢并不是很稳定，当将反应堆中的温度升温至400℃、500℃时，反应堆中的氢化物中子吸收材料中的氢会被缓慢释放，即高温下中子吸收材料中的氢会被损失，由此中子吸收材料的中子吸收效率就下降了。因此，将本发明得到的氢化铪中子吸收材料用于反应堆中，在反应堆中的氧化性气氛下氢化铪中子吸收材料表面的多种合金元素会形成多元复合氧化物膜层，该氧化物膜可以阻止氢化铪中子吸收材料中的氢向外溢出，由此避免了氢在高温下的损失，进而避免了氢化铪中子吸收材料的中子吸收效率下降。此外，该多元复合氧化物膜层还能进一步提高氢化铪基体的抗氧化、抗腐蚀能力(耐酸、碱、水蒸汽等)，以改善氢化铪基体的物理和力学性能。
Cr、Ni、Ta、Nb、Mo、Al、Y、Si中任意一种或多种的引入，可在氢化过程中抑制氢化裂纹的产生，以改善氢化铪的力学性能和脆性，具体为：添加Cr、Ta、Mo、Al、Si可提高抗氧化性能、添加Ni、Al、Cr可改善抗腐蚀，并进一步改善了氢化铪的物理和力学性能，从而可有效地抑制后续氢化裂纹的产生；添加Nb、Y可细化晶粒，从而有效抑制后续氢化裂纹的产生(需要说明的是，氢化过程中晶粒会明显生长，因此如果铪合金氢化前存在晶粒粗大、聚集的现象，那么高温吸氢过程中会更容易产生氢致裂纹)；添加Y可提高氢化物热稳定性，使得氢化后的氢更为稳固，即起到固氢的作用。
此外，还需要说明的是，氢化过程中，Cr、Ni、Ta、Nb、Mo、Al、Y、Si合金元素也会与氢气反应，但更多的是用来形成氧化物膜层。但由于合金添加量远远小于铪金属，且氢含量也是有限的，因此，Cr、Ni、Ta、Nb、Mo、Al、Y、Si合金元素还可能以微小氢化物存在，与形成的氢化铪相比，量非常小。
优选地，所述氢化铪中子吸收材料中氢的质量分数为0.05wt％～1wt％。
氢的作用是慢化中子以提高中子吸收效率，氢含量越高中子慢化能越强，中子吸收效率也越高。因此，本发明中为了提高氢化铪的中子吸收效率，在氢化过程中通过氢化温度、氢气压力、氢气流量控制制备出氢含量高的氢化铪中子吸收材料。需要说明的是，钢铁材料中有几个到十几个ppm的氢时，钢的力学性能就会明显下降脆性增加。
具体实施时，通过氢化温度、氢气压力、氢气流量等的控制，制备出氢质量分数为0.05wt％～1wt％的氢化铪中子吸收材料，从而满足核反应堆对控制棒材料氢含量的需求。
此外，由于氢的含量与核反应堆的设计有关，因此，氢含量还可以根据用户物理模型的需求来选定，从而满足核反应堆对控制棒材料氢含量不同的需求。
优选地，所述金属铪为核级海绵铪、高纯铪粉、碘化结晶铪、电解铪中的任意一种。
优选地，所述铪合金中一种或多种所述合金元素的总质量占比为0.1％～5.0％，余量为所述金属铪。
优选地，所述铪合金中一种或多种所述合金元素的总质量占比为1.0％～2.0％。
具体实施时，由于合金的总质量占比较小，因此对最终得到的氢化铪中子吸收材料的纯度影响不大。
优选地，所述步骤1包括：
将所述金属铪与所述合金元素采用电子束熔炼或电弧熔炼方式熔炼成所述铪合金锭；
将所述铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的所述铪合金。
其中，锻造的开锻温度为900℃、终锻温度为650℃，锻造的时长在此不做具体的限制，可根据工件大小，变形量灵活调整。
具体实施时，在氢化过程中，金属铪析氢后很容易脆、容易裂。本发明通过采用电子束熔炼或电弧熔炼方式，将金属铪原料和合金元素熔炼为内部无缺陷的铪合金锭。由此保证得到的铪合金锭内部无缺陷，进而不会使得在后续的氢化过程中该内部缺陷在氢脆的作用下进一步扩展，以避免进一步扩展成宏观缺陷，再进一步影响材料的中子吸收能力。如果材料本身出现宏观或内部缺陷，会使得材料本身的结构不完整，进而间接影响材料的中子吸收能力。
具体实施时，对铪合金锭进行锻造，以得到组织细密、化学成分均匀的铪合金(铪合金锻件)，可有效降低氢化过程中材料开裂、应力分布不均的风险，最终得到的中子吸收材料的中子吸收效率在不同的位置也是较为均匀的。化学成分均匀的铪合金在后续进行高温氢化时，析氢的应力是均匀的，使得氢化后的材料不脆、韧性较好；此外，化学成分均匀的铪合金在后续进行高温氢化时，析的氢也是均匀的，进而最终得到材料的中子吸收效率在不同的位置都是一样的，即在材料的不同位置上中子吸收效率也较为均匀，符合中子吸收材料的要求(氢均匀、进而中子吸收效率在材料不同的位置都是一样)。需要说明的是，如果析氢的时候应力不均匀，会导致材料开裂，进而影响材料的脆性。
优选地，所述直接氢化法的过程中，氢化温度为600℃～1100℃，氢化时间为1h～60h，氢气压力为0.01Mpa～0.15Mpa，氢气纯度≥99.999％。
其中，整个氢化过程需在高真空条件下进行。
具体实施时，在高真空条件下通入氢气，对铪合金进行高温氢化，得到无裂纹的、高氢含量的氢化铪中子吸收材料：(1)通过对氢化的工艺控制，减少了内应力，避免了氢化裂纹的产生，得到无宏观缺陷的中子吸收材料。通过避免了氢化裂纹的产生，进而使得最终得到的中子吸收材料的结构完整，由于结构完整的材料其中子吸收效率较好，因此间接影响了材料的中子吸收能力。需要说明的是，当材料有内应力的时候力学性能会变差，并且在氢化中易产生裂纹；上述的结构完整指的是：材料整体不会碎、开裂以及掉渣等；(2)由于将本发明中的氢化铪中子吸收材料用于反应堆时，其中子吸收的作用是依靠氢、铪共同作用来实现的。当反应堆中的温度升温至400℃、500℃时，反应堆中的氢化物中子吸收材料中的氢会被缓慢释放，即高温下中子吸收材料中的氢会被损失，由此中子吸收材料的中子吸收效率就下降了。因此，为了不让中子吸收材料的中子吸收效率下降，本发明中采用高温氢化技术将铪合金制备为氢化物，并通过氢化温度、氢气压力、氢气流量控制可以制备出高氢含量的氢化铪块体材料。需要说明的是，控制棒材料的氢含量是不能无限高的，是会受到铪与氢最大结合量的影响。
还需说明的是，如果氢化物氢含量的过高，得到的氢化铪材料也是容易裂的。因此，本发明中通过调整氢化工艺的控制，使得到的氢化铪中子吸收材料是无裂纹且高氢含量的。
此外，本发明还可以制备出不同氢含量的无裂纹氢化铪块体材料，通过氢化温度、氢气压力、氢气流量控制以满足核反应堆对控制棒材料氢含量不同的需求。因此，本发明中的氢含量还可根据反应堆设计需求来选定，例如，当用户的核反应堆物理模型中需要氢的质量分数为1wt％的中子吸收材料时，本发明可制备出氢的质量分数为1wt％的中子吸收材料。
优选地，所述将所述铪合金锭采用直接氢化法之后，所述方法还包括：
将所述铪合金锭采用直接氢化法后，再采用慢丝线切割加工后进行表面清洗，得到所述氢化铪中子吸收材料。
具体实施时，进行表面清洗时，依次使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水和无水乙醇对材料进行清洗，最终得到表面质量良好(表面状态好)，且特定尺寸、尺寸精度高的氢化铪中子吸收材料。
具体实施时，通过采用慢丝线切割加工和表面清洗，得到行为公差符合要求、表面状态良好的材料，进而行为公差符合要求的、特定尺寸的材料才能在核反应堆中用作中子吸收材料，以满足对氢化铪控制棒材料不同形状规格的需求，例如需要直径20mm、长度为20mm的控制棒材料，就采用慢丝线切割将氢化铪加工成直径20mm、长度为20mm的材料。通过采用慢丝线切割加工，使氢化铪控制棒材料行为公差满足要求，同时去除表面的缺陷并改变材料表面的粗糙度，使得材料的表面状态良好(表面平整)；再将表面平整的材料依次使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水和无水乙醇进行表面清洗。
铪合金在高温下氢化会膨胀并且表面吸附杂质，如果不对氢化后的铪合金锭进行慢丝线切割加工(慢速切割)，那么氢化铪尺寸会存在偏差，材料表面不平整会有缺陷，进而不能在核反应堆中用作中子吸收材料。如果不对氢化后的铪合金锭进行清洗，材料表面可能会存在杂质。
第二方面，本发明提供了一种上述第一方面制备方法得到的氢化铪中子吸收材料，所述氢化铪中子吸收材料中氢的质量分数为0.05wt％～1wt％。
本发明实施例中，通过上述制备方法得到的氢化铪中子吸收材料具有氢含量高、无宏观缺陷，微观组织均匀，工况条件下抗氧化能力好等优点，足以满足快中子反应堆、空间堆、核动力舰艇等堆型控制棒的使用要求。将本发明得到的氢化铪中子吸收材料用于反应堆中，以吸收大量的中子，从而抑制核裂变链式反应。本发明中铪具有大中子吸收截面，是主要的中子吸收元素，氢可以慢化中子提高中子吸收能力因此氢化铪中子吸收材料的中子吸收效率好。
为了避免氢化铪中子吸收材料中的氢在反应堆高温环境下损失，而进一步导致的中子吸收效率下降，本发明在氢化铪中子吸收材料中引入了合金元素，以解决上述问题：在反应堆中的氧化性气氛下氢化铪中子吸收材料表面的多种合金元素会形成多元复合氧化物膜层，该氧化物膜可以阻止氢化铪中子吸收材料中的氢向外溢出，由此避免了氢在高温下的损失，进而避免了氢化铪中子吸收材料的中子吸收效率下降。此外，该多元复合氧化物膜层还能进一步提高氢化铪基体的抗氧化、抗腐蚀能力。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过多个具体实施例来说明本发明提供的制备方法。
实施例1
将碘化结晶铪(金属铪)和Cr、Ni(合金元素)采用电子束熔炼技术熔炼成铪合金锭；再对铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的铪合金(Hf-Cr-Ni合金)，其中，Hf-Cr-Ni合金中合金元素的总质量占比为2％(Cr的质量占比为0.5％，Ni的质量占比为1.5％)，余量为金属铪。锻造的开锻温度为900℃、终锻温度为650℃、锻造的时长为3墩3拔；将得到的Hf-Cr-Ni合金采用直接氢化法制备得到氢质量分数为0.86wt％的氢化铪，其中，氢化温度为900℃，氢化时间72h，氢气压力为0.05MPa；将制备好的氢化铪采用慢丝线切割机切割成预定尺寸后，使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水、无水乙醇表面清洗，制备得到表面质量良好的氢化铪中子吸收材料。
对实施例1所得到的氢化铪中子吸收材料进行电镜扫描，参照图2，图2为本发明实施例1氢化铪中子吸收材料的扫面电镜照片，从图中可以看出制备处的氢化铪材料微观组织均匀，没有微裂纹、气孔等等缺陷，合金元素分布均匀无偏析等。
实施例2
将核级海绵铪(金属铪)和Ta、Cr(合金元素)采用电子束熔炼技术熔炼成铪合金锭；再对铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的铪合金(Hf-Ta-Cr合金)，其中，Hf-Ta-Cr合金中合金元素的总质量占比为4.5％(Ta的质量占比为2.5％，Cr的质量占比为2.0％)，余量为金属铪。锻造的开锻温度为900℃、终锻温度为650℃、锻造的时长为3墩3拔；将得到的Hf-Ta-Cr合金采用直接氢化法制备得到氢质量分数为0.05wt％的氢化铪，其中，氢化温度为1100℃，氢化时间8h，氢气压力为0.1MPa；将制备好的氢化铪采用慢丝线切割机切割成预定尺寸后，使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水、无水乙醇表面清洗，制备得到表面质量良好的氢化铪中子吸收材料。
实施例3
将高纯铪粉(金属铪)和Y(合金元素)采用电子束熔炼技术熔炼成铪合金锭；再对铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的铪合金(Hf-Y合金)，其中，Hf-Y合金中合金元素的总质量占比为5％(Y的质量占比为5％)，余量为金属铪。锻造的开锻温度为900℃、终锻温度为650℃、锻造的时长为3墩3拔；将得到的Hf-Y合金采用直接氢化法制备得到氢质量分数为0.81wt％的氢化铪，其中，氢化温度为1000℃，氢化时间16h，氢气压力为0.15MPa；将制备好的氢化铪采用慢丝线切割机切割成预定尺寸后，使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水、无水乙醇表面清洗，制备得到表面质量良好的氢化铪中子吸收材料。
实施例4
将电解铪(金属铪)和Nb(合金元素)采用电子束熔炼技术熔炼成铪合金锭；再对铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的铪合金(Hf-Nb合金)，其中，Hf-Nb合金中合金元素的总质量占比为1％(Nb的质量占比为1％)，余量为金属铪。锻造的开锻温度为900℃、终锻温度为650℃、锻造的时长为3墩3拔；将得到的Hf-Nb合金采用直接氢化法制备得到氢质量分数为0.91wt％的氢化铪，其中，氢化温度为900℃，氢化时间24h，氢气压力为0.01MPa；将制备好的氢化铪采用慢丝线切割机切割成预定尺寸后，使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水、无水乙醇表面清洗，制备得到表面质量良好的氢化铪中子吸收材料。
实施例5
将碘化结晶铪(金属铪)和Al、Si(合金元素)采用电子束熔炼技术熔炼成铪合金锭；再对铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的铪合金(Hf-Al-Si合金)，其中，Hf-Al-Si合金中合金元素的总质量占比为1.1％(Al的质量占比为1.0％，Si的质量占比为0.1％)，余量为金属铪。锻造的开锻温度为900℃、终锻温度为650℃、锻造的时长为3墩3拔；将得到的Hf-Al-Si合金采用直接氢化法制备得到氢质量分数为1.0wt％的氢化铪，其中，氢化温度为600℃，氢化时间60h，氢气压力为0.01MPa；将制备好的氢化铪采用慢丝线切割机切割成预定尺寸后，使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水、无水乙醇表面清洗，制备得到表面质量良好的氢化铪中子吸收材料。
实施例6
将碘化结晶铪(金属铪)和Ta、Nb(合金元素)采用电子束熔炼技术熔炼成铪合金锭；再对铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的铪合金(Hf-Ta-Nb合金)，其中，Hf-Ta-Nb合金中合金元素的总质量占比为3.0％(Ta的质量占比为2.0％，Nb的质量占比为1.0％)，余量为金属铪。锻造的开锻温度为900℃、终锻温度为650℃、锻造的时长为3墩3拔；将得到的Hf-Ta-Nb合金采用直接氢化法制备得到氢质量分数为1.4wt％的氢化铪，其中，氢化温度为800℃，氢化时间50h，氢气压力为0.04MPa；将制备好的氢化铪采用慢丝线切割机切割成预定尺寸后，使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水、无水乙醇表面清洗，制备得到表面质量良好的氢化铪中子吸收材料。
实施例7
将核级海绵铪(金属铪)和Cr、Al(合金元素)采用电子束熔炼技术熔炼成铪合金锭；再对铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的铪合金(Hf-Al-Cr合金)，其中，Hf-Al-Cr合金中合金元素的总质量占比为5.0％(Cr的质量占比为3.5％，Al的质量占比为1.5％)，余量为金属铪。锻造的开锻温度为900℃、终锻温度为650℃、锻造的时长为3墩3拔；将得到的Hf-Al-Cr合金采用直接氢化法制备得到氢质量分数为0.25wt％的氢化铪，其中，氢化温度为1000℃，氢化时间1h，氢气压力为0.02MPa；将制备好的氢化铪采用慢丝线切割机切割成预定尺寸后，使用氢氟酸盐酸混合溶液、去离子水、无水乙醇表面清洗，制备得到表面质量良好的氢化铪中子吸收材料。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和部件并不一定是本发明所必须的。
以上对本发明所提供的一种氢化铪中子吸收材料及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种氢化铪中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：将金属铪与合金元素熔炼后、再进行锻造得到铪合金；所述合金元素为Cr和Ni；
步骤2：将所述铪合金采用直接氢化法，得到无裂纹的、高氢含量、氢分布均匀的氢化铪中子吸收材料；所述合金元素用于在反应堆中的氧化性气氛下，在所述氢化铪中子吸收材料表面形成致密的多元复合氧化物膜层；
所述直接氢化法的过程中，氢化温度为900℃，氢化时间为72h，氢气压力为0.05MPa，氢气纯度≥99.999％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢化铪中子吸收材料中氢的质量分数为0.86wt％。
3.根据权利要求1所述的氢化铪中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述金属铪为核级海绵铪、高纯铪粉、碘化结晶铪、电解铪中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的氢化铪中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述铪合金中所述合金元素的总质量占比为2％，余量为所述金属铪。
5.根据权利要求1所述的氢化铪中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1包括：
将所述金属铪与所述合金元素采用电子束熔炼或电弧熔炼方式熔炼成所述铪合金锭；
将所述铪合金锭进行锻造，得到化学成分均匀的所述铪合金。
6.根据权利要求1所述的氢化铪中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述铪合金采用直接氢化法之后，所述方法还包括：
采用慢丝线切割加工后再进行表面清洗，得到所述氢化铪中子吸收材料。
7.一种上述权利要求1-6任一项所述的制备方法得到的氢化铪中子吸收材料，其特征在于，所述氢化铪中子吸收材料中氢的质量分数为0.86wt％。
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