CN117292852B - 一种氢化锆慢化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢化锆慢化材料，由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y≥99.40%，其中H≥1.85%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：90%≤Zr≤98%，1.00%≤Nb≤5.00%，1.00%≤Y≤5.00%，其余为不可避免的杂质；该材料制备方法为：一、将海绵锆、金属铌和钇清洗；二、熔炼；三、预处理后高压渗氢。本发明通过对各元素组成及含量的限定，通过合金化元素Nb、Y保证氢化锆慢化材料中的高氢含量，控制裂纹的产生；本发明通过预处理释放材料内应力以抑制裂纹产生，并结合高压渗氢控制吸附量和氢化反应速率，提高氢原子密度并缩短氢化时间，节省成本。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种氢化锆慢化材料及其制备方法。
背景技术
随着我国核动力技术的不断进步和发展，核反应堆的应用领域逐步扩大，对核反应堆的要求也日益提高。空间核反应堆作为一种高效持久可靠的空间电源，具有质量轻、体积小、功率大、抗辐照能力强、使用寿命长等优点，成为未来空间电源特别是大功率电源的最优选择，其中慢化剂则是空间核反应堆最重要的堆芯部件之一。氢化锆块体材料具有中子慢化能力强、屏蔽能力强、抗辐照性能强、高温环境热稳定性好等特点，可有效减少中子屏蔽体质量和体积，成为小型模块化紧凑式核反应堆、空间核反应堆应用中重要候选慢化及屏蔽材料。
目前，氢化锆中子慢化材料已在空间核反应堆电源系统中实现了初步应用，且制备过程大多是将纯锆加工成所需形状和尺寸，放置于氢化炉中通过高温常压渗氢制备氢化锆块体材料。但是氢化锆在实际制备过程中主要存在两方面问题：一是氢致裂纹及高温失氢，在氢化过程中，原子半径较小的氢原子进入原子半径较大的锆块中会引起严重的晶格畸变和体积膨胀而造成氢化锆块体材料的破碎；二是氢化速率慢、制备周期长、成本高且氢原子密度不易控制。常规块体渗氢法是在常压下通过减小通氢速率和降温速率制备氢化锆块体材料，其制备周期长、成本高且不易控制氢原子密度。因此，探索低成本、无裂纹的氢化锆块体材料制备工艺具有十分重要的意义。
目前鲜有系统地报道用高温高压法制备氢化锆中子慢化材料的方法和工艺路线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种氢化锆慢化材料。该氢化锆慢化材料通过对各元素组成及含量的限定，获得H/Zr原子比不小于1.72的氢化锆慢化材料，通过添加中子吸收截面较低的合金化元素Nb、Y以保证氢化锆慢化材料中的高氢含量，提高材料的高温稳定性，控制裂纹的产生，缩短了氢化锆的制备周期并降低原料成本，获得低成本、无裂纹氢化锆慢化材料，解决现有氢化锆材料易产生裂纹、制备成本高、周期长且不易控制的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种氢化锆慢化材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y≥99.40%，其中H≥1.85%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：90%≤Zr≤98%，1.00%≤Nb≤5.00%，1.00%≤Y≤5.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe≤0.21%，Cr≤0.15%，O≤0.12%，C≤0.10%；所述氢化锆慢化材料中H/Zr原子比不小于1.72。
上述的一种氢化锆慢化材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y≥99.45%，其中H≥1.9%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：92%≤Zr≤97%，1.00%≤Nb≤4.00%，1.00%≤Y≤4.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe≤0.2%，Cr≤0.14%，O≤0.11%，C≤0.9%。
上述的一种氢化锆慢化材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y=99.48%，其中H=1.96%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：Zr=96%，Nb=2.00%，Y=2.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe=0.18%，Cr=0.14%，O=0.10%，C=0.08%。
此外，本发明还公开了一种制备如上述的氢化锆慢化材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将海绵锆、金属铌和钇放置于无水乙醇中超声清洗；
步骤二、将步骤一中超声清洗后的海绵锆、金属铌和钇放置于真空非自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，得到锆合金铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的锆合金铸锭放置于高温高压装置中预处理后进行高压渗氢，取出后得到氢化锆慢化材料。
常规块体渗氢过程中，金属锆会随着氢含量的增加发生不可避免的晶格畸变和体积膨胀，同时伴随相变进而生成脆性的δ相和ε相氢化锆，从而降低材料的塑性，一般采用较小的通氢速率和降温速率以降低氢化速率，使氢化过程中由于晶格畸变和体积膨胀产生的内应力充分释放，从而避免裂纹的产生。本发明采用锆合金熔炼-合金预处理-高压渗氢法，先将超声清洗后的海绵锆、金属铌和钇进行熔炼得到锆合金铸锭，然后将锆合金铸锭进行预处理以充分释放内应力，最后进行高压渗氢。该过程中，添加的中子吸收截面较低的合金元素Nb和Y不但不会降低氢化锆中的氢含量，还可以提高氢化锆的高温稳定性，并且能够改善锆合金和氢化锆的微观组织，增加了晶粒的各向异性，有效抑制裂纹的产生，且本发明添加合金元素的氢化锆相比纯锆具有更强的固氢能力，改善了高温氢逸出行为。同时，本发明在预处理后进行块体高压渗氢，不但提高了氢化锆块体材料的渗氢速率，缩短氢化时间，并且通过控制吸附终点压力进而控制吸附量，得到较高氢原子密度的氢化锆慢化材料，缩短氢化时间，节省生产成本。因此，本发明制备的氢化锆块慢化材料具有优异的慢化性能以及高温稳定性，适用于制造热中子反应堆中子慢化部件。
上述的方法，其特征在于，步骤一中将海绵锆、金属铌和钇分别放置于质量分数大于99.7%的无水乙醇中超声清洗10min~30 min。本发明利用超声波在无水乙醇中的空化作用、加速作用以及直进流作用使金属原料表面及间隙的污物层被分散、乳化以及剥离，从而达到充分清洗目的，减少了金属原料在熔炼过程中杂质的含量，提高了锆合金铸锭的纯度。
上述的方法，其特征在于，步骤二中将超声清洗后的海绵锆、金属铌和钇装入真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至真空度小于3.0×10-3Pa后充氩气至3.5×102Pa，然后开始熔炼，熔炼采用的电流为300A~600A，电压为15V~25V，磁力搅拌电流为5A~12A，重复熔炼5~10次。本发明通过控制熔炼电流，保证各金属原料完全融化，随后增大磁力搅拌电流，使坩埚内熔融态金属充分搅拌，锆合金铸锭尽可能均匀，初次熔炼完成后，通常将锆合金铸锭通过机械手臂翻转180°再次进行熔炼，重复熔炼5 ~ 10次；同时通过控制熔炼电流、磁力搅拌电流、熔炼次数，保证了锆合金铸锭成分的均匀性。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述预处理的过程为：先对高温高压装置抽真空至真空度低于1×10-3Pa，然后以5℃/min~20℃/min的速率升温至预处理温度100℃~800℃并保温100min~300min。本发明通过上述预处理过程分解锆合金铸锭表面钝化膜，暴露出活性表面，使得锆合金铸锭充分释放内应力，缓解应力集中产生的裂纹，还有利于氢原子快速进入锆合金基体，提高氢化速率；此外，通过预处理蒸发锆合金铸锭表面水分，减少氢化过程中杂质气体的影响。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述高压渗氢的过程为：先以5℃/min~20℃/min的速率升温至渗氢温度600℃~1200℃，然后充入氢气至压力为1bar~20bar进行渗氢。本发明通过控制高压渗氢的压力以提高渗氢速率，缩短氢化时间，节省生产成本，同时通过控制吸附终点压力进而控制吸附量，得到不同氢原子密度的氢化锆慢化材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明的氢化锆慢化材料通过对各元素组成及含量的限定，获得H/Zr原子比不小于1.72的氢化锆慢化材料，同时通过添加中子吸收截面较低的合金化元素Nb、Y以保证氢化锆慢化材料中的高氢含量，Zr-Nb合金中Nb元素的存在提高了β-Zr的高温稳定性，从而缩短了氢化锆的制备周期；此外，Nb、Y元素还改善了氢化锆的多缺陷状态，且不会影响氢化锆晶粒，在保证氢化锆性质稳定的同时，有利于控制裂纹的产生，并降低原料成本，获得低成本、无裂纹氢化锆慢化材料，适用于制造小型模块化紧凑式核反应堆、空间核反应堆中子慢化部件。
2、本发明的制备方法将锆合金铸锭预处理后再进行块体渗氢，通过预处理工艺使锆合金铸锭内应力充分释放从而更容易吸附氢原子，缓解了氢原子进入材料后由于体积膨胀和晶格畸变造成的内应力过大而导致裂纹甚至破裂。
3、本发明制备方法的预处理过程中，合金元素Nb和Y提高了氢化锆的高温稳定性，改善锆合金和氢化锆的微观组织，有效抑制裂纹的产生，并改善高温氢逸出行为。
4、本发明通过控制块体高压渗氢的吸附终点压力进而控制吸附量和氢化反应速率，得到较高氢原子密度的氢化锆慢化材料，并缩短氢化时间，节省生产成本。
5、本发明将海绵锆、金属铌和钇放置于无水乙醇中超声清洗，减少了金属表面及间隙的杂质，提高了氢化锆慢化材料的纯度，同时在真空非自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，通过控制熔炼电流、磁力搅拌电流，使坩埚内熔融态的金属充分搅拌，提高了锆合金铸锭成分的均匀性。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的氢化锆慢化材料的微观组织图（倍数标尺100μm）。
图2为本发明实施例1制备的氢化锆慢化材料的微观组织图（倍数标尺50μm）。
图3为本发明实施例1制备的氢化锆慢化材料的微观组织图（倍数标尺20μm）。
图4为本发明实施例1制备的氢化锆慢化材料的微观组织图（倍数标尺10μm）。
图5为本发明实施例1制备的氢化锆慢化材料的XRD物相图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的氢化锆慢化材料由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y=99.48%，其中H=1.96%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：Zr=96%，Nb=2.00%，Y=2.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe=0.18%，Cr=0.14%，O=0.10%，C=0.08%。
本实施例氢化锆慢化材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、海绵锆、金属铌和钇分别放置于质量分数大于99.7%的无水乙醇中超声清洗20min；
步骤二、将超声清洗后的质量纯度不低于99.40%的海绵锆、质量纯度不低于99.99%的金属铌和质量纯度不低于99.92%的钇装入真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至真空度小于3.0×10-3Pa后充氩气至3.5×102Pa，然后开始熔炼，熔炼采用的电流为400A，电压为18V，磁力搅拌电流为8A，重复熔炼7次，得到锆合金铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的锆合金铸锭放置于高温高压装置中进行预处理，先对高温高压装置抽真空至真空度低于1×10-3Pa，然后以10℃/min的速率升温至预处理温度250℃并保温150min，预处理结束后以10℃/min的速率升温至渗氢温度800℃，充入氢气进行渗氢，最大压力为5bar，随炉冷却至室温并排气至常压，取出后得到氢化锆慢化材料。
经检测，本实施例制备的氢化锆慢化材料的H/Zr原子比为1.82。
图1~图4为本实施例制备的氢化锆慢化材料在不同倍数下的微观组织图，从图1~图4可知，该氢化锆慢化材料的表面无任何裂纹，且氢化均匀，晶粒尺寸约为50μm~100μm，晶粒内呈现出清晰的平行条带状孪晶结构，并且不同晶粒的取向不同，展现出明显的ε相氢化锆的结构。
图5为本实施例制备的氢化锆慢化材料的XRD物相图，从图5可以看出，参考PDF#36~1340卡片，该氢化锆慢化材料呈现出单一的ε-ZrH1.801物相，表明本发明采用锆合金熔炼-合金预处理-高压渗氢工艺路线有效地避免了氢化锆中子慢化材料中裂纹的生成，成功得到了无裂纹、高氢含量的氢化锆中子慢化材料。
实施例2
本实施例的氢化锆慢化材料由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y=99.40%，其中H=1.85%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：Zr=98%，Nb=1.00%，Y=1.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe=0.21%，Cr=0.15%，O=0.12%，C=0.10%。
本实施例氢化锆慢化材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、海绵锆、金属铌和钇分别放置于质量分数大于99.7%的无水乙醇中超声清洗30min；
步骤二、将超声清洗后的质量纯度不低于99.40%的海绵锆、质量纯度不低于99.99%的金属铌和质量纯度不低于99.92%的钇装入真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至真空度小于3.0×10-3Pa后充氩气至3.5×102Pa，然后开始熔炼，熔炼采用的电流为600A，电压为25V，磁力搅拌电流为12A，重复熔炼10次，得到锆合金铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的锆合金铸锭放置于高温高压装置中进行预处理，先对高温高压装置抽真空至真空度低于1×10-3Pa，然后以5℃/min的速率升温至预处理温度100℃并保温100min，预处理结束后以15℃/min的速率升温至渗氢温度600℃，充入氢气进行渗氢，最大压力为1bar，随炉冷却至室温并排气至常压，取出后得到氢化锆慢化材料。
经检测，本实施例制备的氢化锆慢化材料的H/Zr原子比为1.72。
实施例3
本实施例的氢化锆慢化材料由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y=99.54%，其中H=2.03%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：Zr=94%，Nb=3.00%，Y=3.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe=0.16%，Cr=0.13%，O=0.08%，C=0.07%。
本实施例氢化锆慢化材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、海绵锆、金属铌和钇分别放置于质量分数大于99.7%的无水乙醇中超声清洗15min；
步骤二、将超声清洗后的质量纯度不低于99.40%的海绵锆、质量纯度不低于99.99%的金属铌和质量纯度不低于99.92%的钇装入真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至真空度小于3.0×10-3Pa后充氩气至3.5×102Pa，然后开始熔炼，熔炼采用的电流为500A，电压为22V，磁力搅拌电流为10A，重复熔炼8次，得到锆合金铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的锆合金铸锭放置于高温高压装置中进行预处理，先对高温高压装置抽真空至真空度低于1×10-3Pa，然后以20℃/min的速率升温至预处理温度800℃并保温300min，预处理结束后以5℃/min的速率升温至渗氢温度1000℃，充入氢气进行渗氢，最大压力为10bar，随炉冷却至室温并排气至常压，取出后得到氢化锆慢化材料。
经检测，本实施例制备的氢化锆慢化材料的H/Zr原子比为1.88。
实施例4
本实施例的氢化锆慢化材料由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y=99.60%，其中H=2.08%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：Zr=90%，Nb=5.00%，Y=5.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe=0.14%，Cr=0.11%，O=0.07%，C=0.06%。
本实施例氢化锆慢化材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、海绵锆、金属铌和钇分别放置于质量分数大于99.7%的无水乙醇中超声清洗10min；
步骤二、将超声清洗后的质量纯度不低于99.40%的海绵锆、质量纯度不低于99.99%的金属铌和质量纯度不低于99.92%的钇装入真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至真空度小于3.0×10-3Pa后充氩气至3.5×102Pa，然后开始熔炼，熔炼采用的电流为300A，电压为15V，磁力搅拌电流为5A，重复熔炼5次，得到锆合金铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的锆合金铸锭放置于高温高压装置中进行预处理，先对高温高压装置抽真空至真空度低于1×10-3Pa，然后以15℃/min的速率升温至预处理温度500℃并保温200min，预处理结束后以20℃/min的速率升温至渗氢温度1200℃，充入氢气进行渗氢，最大压力为20bar，随炉冷却至室温并排气至常压，取出后得到氢化锆慢化材料。
经检测，本实施例制备的氢化锆慢化材料的H/Zr原子比为1.93。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种氢化锆慢化材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y≥99.40%，其中H≥1.85%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：90%≤Zr≤98%，1.00%≤Nb≤5.00%，1.00%≤Y≤5.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe≤0.21%，Cr≤0.15%，O≤0.12%，C≤0.10%；所述氢化锆慢化材料中H/Zr原子比不小于1.72；所述氢化锆慢化材料由包括以下步骤的方法制备得到：
步骤一、将海绵锆、金属铌和钇放置于无水乙醇中超声清洗；
步骤二、将步骤一中超声清洗后的海绵锆、金属铌和钇放置于真空非自耗电弧熔炼炉中进行熔炼，抽真空至真空度小于3.0×10-3Pa后充氩气至3.5×102Pa，然后开始熔炼，熔炼采用的电流为300A~600A，电压为15V~25V，磁力搅拌电流为5A~12A，重复熔炼5~10次，得到锆合金铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的锆合金铸锭放置于高温高压装置中预处理后进行高压渗氢，取出后得到低成本、无裂纹的氢化锆慢化材料；所述预处理的过程为：先对高温高压装置抽真空至真空度低于1×10-3Pa，然后以5℃/min~20℃/min的速率升温至预处理温度100℃~800℃并保温100min~300min；所述高压渗氢的过程为：先以5℃/min~20℃/min的速率升温至渗氢温度600℃~1200℃，然后充入氢气至压力为1bar~20bar进行渗氢。
2.根据权利要求1所述的一种氢化锆慢化材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y≥99.45%，其中H≥1.9%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：92%≤Zr≤97%，1.00%≤Nb≤4.00%，1.00%≤Y≤4.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe≤0.2%，Cr≤0.14%，O≤0.11%，C≤0.9%。
3.根据权利要求1所述的一种氢化锆慢化材料，其特征在于，由以下质量百分数的元素组成：H+Zr+Nb+Y=99.48%，其中H=1.96%，Zr、Nb和Y元素总量中各元素的质量百分数为：Zr=96%，Nb=2.00%，Y=2.00%，其余为不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括：Fe、Cr、O和C，其中Fe=0.18%，Cr=0.14%，O=0.10%，C=0.08%。
4.根据权利要求1所述的一种氢化锆慢化材料，其特征在于，步骤一中将海绵锆、金属铌和钇分别放置于质量分数大于99.7%的无水乙醇中超声清洗10min~30min。
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB835316A (en) * | 1957-07-24 | 1960-05-18 | Johnson Matthey Co Ltd | Improvements in and relating to the refining of metals |
| CN103898361A (zh) * | 2012-12-27 | 2014-07-02 | 中国核动力研究设计院 | 一种核动力堆芯用锆合金 |
| WO2016167400A1 (ko) * | 2015-04-14 | 2016-10-20 | 한전원자력연료 주식회사 | 고온산화 및 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물 및 이의 제조방법 |
| CN106834854A (zh) * | 2017-02-21 | 2017-06-13 | 山东科技大学 | 采用稀土掺杂的高性能Nb基氢透过合金及制备方法 |
| CN108515187A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-09-11 | 四川大学 | 一种锆及锆合金氢化工艺优化的方法 |
| CN110004312A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-07-12 | 西安聚能高温合金材料科技有限公司 | 一种镍基高温合金gh4698大规格铸锭的三联冶炼工艺 |
| CN113046614A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-29 | 西南交通大学 | NbMoHfTiZrAlSi难熔高熵合金及制备方法 |
| CN113501716A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-10-15 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种无裂纹氢化锆中子慢化材料的制备方法 |
| WO2022128456A2 (en) * | 2020-12-16 | 2022-06-23 | Tokamak Energy Ltd | On the design of a composite hydride-metal to accommodate hydride decomposition |
| CN114804028A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-07-29 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种空间堆用无裂纹氢化钇中子慢化材料及其制备方法 |
| CN116253290A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-06-13 | 有研资源环境技术研究院(北京)有限公司 | 一种氢化钇慢化材料、制备方法及其应用 |
-
2023
- 2023-11-27 CN CN202311588561.3A patent/CN117292852B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB835316A (en) * | 1957-07-24 | 1960-05-18 | Johnson Matthey Co Ltd | Improvements in and relating to the refining of metals |
| CN103898361A (zh) * | 2012-12-27 | 2014-07-02 | 中国核动力研究设计院 | 一种核动力堆芯用锆合金 |
| WO2016167400A1 (ko) * | 2015-04-14 | 2016-10-20 | 한전원자력연료 주식회사 | 고온산화 및 부식 저항성이 우수한 지르코늄 합금 조성물 및 이의 제조방법 |
| CN106834854A (zh) * | 2017-02-21 | 2017-06-13 | 山东科技大学 | 采用稀土掺杂的高性能Nb基氢透过合金及制备方法 |
| CN108515187A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-09-11 | 四川大学 | 一种锆及锆合金氢化工艺优化的方法 |
| CN110004312A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-07-12 | 西安聚能高温合金材料科技有限公司 | 一种镍基高温合金gh4698大规格铸锭的三联冶炼工艺 |
| WO2022128456A2 (en) * | 2020-12-16 | 2022-06-23 | Tokamak Energy Ltd | On the design of a composite hydride-metal to accommodate hydride decomposition |
| CN113046614A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-29 | 西南交通大学 | NbMoHfTiZrAlSi难熔高熵合金及制备方法 |
| CN113501716A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-10-15 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种无裂纹氢化锆中子慢化材料的制备方法 |
| CN114804028A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-07-29 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种空间堆用无裂纹氢化钇中子慢化材料及其制备方法 |
| CN116253290A (zh) * | 2023-05-11 | 2023-06-13 | 有研资源环境技术研究院(北京)有限公司 | 一种氢化钇慢化材料、制备方法及其应用 |
Non-Patent Citations (11)
| Title |
|---|
| 《稀有金属材料加工手册》编写组.《稀有金属材料加工手册》.冶金工业出版社,第139-第143. * |
| Hydride embrittlement and oxidation resistance of some Zr–Nb–Y alloys;Batra I.S. et al;《Journal of Nuclear Materials》(第434期);第389-394页 * |
| Isothermal Oxidation Behavior of Ternary Zr-Nb-Y Alloys at High Temperature;Prajitno D. H. et al;《AIP Conference Proceedings》;第1589卷;第182-186页 * |
| Thermal properties of yttrium hydride;Masato Ito et al;《Journal of Nuclear Materials》;第344卷;第295-297页 * |
| Zr-1%Nb合金熔炼铸造工艺研究;刘超红 等;《铸造》;第64卷(第5期);第395-398页 * |
| 中间热处理对Zr-1Nb-0.2Y合金在420 ℃空气中氧化性能的影响;李长记 等;《金属学报》;第52卷(第1期);第85-92页 * |
| 含钇氢化锆慢化材料的制备及其性能研究;彭家庆;《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》(第5期);第1-109页 * |
| 热处理对锆铌钇合金氧化腐蚀性能的影响;王腾飞;《热加工工艺》;第44卷(第22期);第206-208页 * |
| 钇锆合金氢化物成分设计与吸氢性能研究;王智辉;《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》(第8期);第1-104页 * |
| 铌对氢化锆裂纹行为和氢含量的影响;王建伟 等;《稀有金属》;第36卷(第1期);第61-66页 * |
| 锆中氢化物结构稳定性及力学特性的计算与实验研究;包张飞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》(第1期);第1-77页 * |
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