帅茂兵[1]2001年在《铀合金的氢化特性和氢化处理研究》文中研究表明综述了铀的合金化理论、熔炼和热处理条件、相变规律以及铀合金微观组织结构与力学性能的关系；综述了铀合金的吸氢-释氢特性和氢对铀合金性能的影响；评述了材料的氢化处理技术。 为了改善金属铀的贮氢性能，本文采用了在金属铀中加入少量锆、钛和铌等合金元素的方法来改善金属铀的抗粉化性，同时合金化后仍然能保持金属铀独特的贮氢特性。在0～0.4MPa氢压和573～723K温度范围内研究了U-10％Zr（质量分数，下同）、U-0.7％Ti、U-2.4％Nb和U-6.2％Nb等合金的吸氢-释氢特性；比较了几种贮氢材料回收、贮存和净化氢同位素的性能以及抗粉化性。实验发现这几种铀合金（尤其是铀锆合金）具有优良的吸氢-释氢特性和较好的抗粉化性能。 为了寻找铀合金净化和均匀化方法，本文首次提出了用氢化处理技术来降低铀合金中的有害非金属杂质含量和提高铀合金的成分均匀性，最终改善铀合金的性能。考察了氢化处理对金属铀、铀锆合金、铀铌合金和铀钛合金微观组织、力学性能和腐蚀性能的影响。实验发现氢化处理技术可用于去除铀合金中的碳氮氧等有害非金属杂质、提高合金元素的均匀化和合金化程度、改善合金的塑性和提高铀合金的抗腐蚀性能。 为了揭示金属铀与氢气、氧气和一氧化碳等环境气体分子相互作用的行为和机理，本文用量子化学从头计算方法计算了U-H和U-O-C体系气态分子的优化构型；从理论上分析了铀与氢同位素相互作用的热力学和可能发生的反应途径；利用势能面探讨了U与O_2和CO初始相互作用的过程和产物构型。计算结果从热力学上证明了铀与H_2的初始反应产物可能有UH、UH_2、UH_3、U_2H_2和U_2H_4等；随着铀与O_2相互作用的方式的不同，铀氧化的初始产物或者是UO分子，或者是直线型UO_2分子；CO在铀上的吸附属于解离吸附，并以CO的碳端与铀原子相互作用最有利，初始相互作用产物主要有碳化物（UC）和碳氧化物（UCO，CUO等）。
史鹏[2]2013年在《合金化元素钛对U-0.79wt.%Ti合金氢化行为影响研究》文中提出铀及其合金性质活泼,极易与环境气氛相互作用而发生腐蚀,导致材料使用性能降低甚至失效。这些反应中,氢化腐蚀由于具有反应剧烈、伴随有较大体胀、反应产物易燃等特性,对材料的破坏损伤也极为严重,因而备受研究者关注。由于具有非常重要的科学研究和工程应用价值,因此过去的几十年间,铀及其合金的氢化腐蚀行为一直是核材料科学研究的热点前沿。但是,铀及其合金的氢化反应相当复杂,气氛压力、反应温度、杂质气体、氧化层性质和金属的微观组织结构等诸多因素都会产生影响。更为重要的是,氢化反应具有点蚀特性,在某些特殊位置会优先成核生长。目前,研究者普遍接受晶界等处是金属铀氢化反应的优先成核点,但在反应机理方面存在争议,主要有两种观点：以英国AWE和以色列NRC-Negev为代表的一派学者认为表面氧化层差异是决定氢化成核点位的决定因素；另外一派以美国LANL和LLNL为主的研究者认为金属自身的性质特别是化学组成和微观组织结构才是决定氢化成核生长点的根本因素。从工程应用角度来讲,确定氢化反应特别是成核行为的根本机理,可以作为铀及其合金材料工程防护方案设计的出发点和支撑点。此外,这一研究领域公开的文献报道更多集中在金属铀,对于工程上应用更为广泛的铀合金涉及却相对较少。铀钛合金--作为一种重要的铀合金材料,一方面由于较好的机械力学和抗氧化腐蚀行为在核工业中作为结构和功能材料得到广泛应用,因此研究铀钛合金氢化行为具有重要的实际应用价值；另一方面,可以对铀钛合金采取不同的热处理方法得到多样化的微观组织结构和化学组成分布,这也为氢化腐蚀成核机制等未解决的重大基础问题提供了独特的模型体系和研究机遇。所以,本论文的研究工作综合运用多种分析方法,以U-0.79wt.%Ti(后文用U-0.79Ti指代)为模型体系,我们首先确定了合金化元素钛在铀合金中的不同存在形态；制备了具有不同微观组织结构和化学分布的合金试样并研究了不同样品反应初期氢化成核点的形成、初期生长行为的差异性；观测到U-0.79Ti合金氢化成核生长点与金属微观组织结构之间存在显着关联性；实验结果为铀氢反应成核点的学术争论提供了新的实验证据,并探讨了氢化反应初期成核生长行为的反应机理。本论文得到的主要结果如下：(1)系统研究了U-0.79Ti合金微观组织结构的多样性,特别是合金化元素钛的添加、热处理工艺、时效处理等的影响。首次阐述了钛在U-0.79Ti合金中主要以固溶(α’)、金属间化合物(U2Ti)和夹杂物等叁种形态存在的观点,并指出了利用U-0.79Ti合金微观组织结构的热处理过程敏感性,可以针对性地设计样品来考察钛的各种存在形态对氢化行为的影响行为；(2)通过原位XPS研究从室温到700℃真空热处理过程中表面化学性质的变化,结合铀钛合金相图确定了适合于U-0.79Ti合金氢化实验研究的200℃真空热处理的实验方案。确认了低温热处理(<200℃)会将铀及U-0.79Ti合金最外层氧化物从U02+x转化成U02,或者生成UOxCy,并讨论了其对缩短铀氢反应孕育期,加速铀氢反应的影响。此外,通过与贫铀样品的对比,本论文第一次观察到高温真空热处理过程(>45℃)中U-0.79Ti合金表面UOxCy的逆分解以及钛向表面的偏析行为,揭示了钛对合金表面物理化学性质的影响,这些发现可以为铀合金中合金元素的扩散、偏析及其与微量元素相互作用的研究提供特殊而有趣的模型。(3)利用在线体视显微镜、激光共聚焦显微镜和扫描电镜研究了具有"β+U2Ti"微观组织结构的铀钛合金氢化成核及初期生长行为,首次在实验上观察到具有某种优先取向、条状生长的铀氢化物,而且氢化物的成核在表面有较厚氧化层的α-U,生长也沿着α--U相并受到U2Ti相的约束。而且,这种结构为我们讨论氢化成核的机理提供了非常独特的模型。'β+U2Ti"铀钛合金微观上由交替的α-U和U2Ti条纹组成。扫描Kelvin探针的实验结果揭示了两种相表面功函数具有较大的差别,反映出两种相与气氛反应的活性存在差异。经分析我们发现α-U反应活性更强。因此,α-U表面生长有更厚的氧化层,如果AWE和NRC-Negev的“氧化层”观点具有普适性的话,后续的氢化成核点应该在U2Ti相,但是我们的实验结果并不支持这样一种推论,因此这一实验结果至少说明氧化层的影响是次要的,而非决定性的因素。与此相反,氢化物的成核与初期生长过程与微观组织结构之间非常好的关联对应表明金属基底的性质——微观组织结构、化学分布、物理化学性质等才是决定氢化成核生长行为的根本因素。(4)利用在线体视显微镜和激光共聚焦显微镜,我们进一步研究了500℃时效2h的U-0.79Ti合金的氢化行为,观察到氢化成核点非常形象地勾勒出了铀钛合金原高温Y相的晶界。结合500℃时效会导致马氏体首先沿着晶界分解为α+U2Ti的实验事实,通过对比相分解区域和未发生分解区域的氢化行为,我们发现固溶钛能够提升铀的抗氢化腐蚀能力。这一实验现象进一步佐证了“金属材料的性质是影响和决定氢化成核点的主要因素”的观点。(5)进一步运用在线体视显微镜我们原位研究了钛的夹杂物在氢化反应初期与成核点之间的关联性,发现夹杂物附近通常毗邻氢化成核点,而且夹杂物附近的氢化反应更加剧烈,大部分扩展为成核生长点,对金属材料的损伤更具侵略性。通过与文献中关于金属铀中夹杂物(主要指UC)氢化行为的对比,我们发现,两者之间存在一定的可类比性。这种缺陷加速氢化反应的机制目前还不是十分清楚,需要开展进一步的研究工作。但是,这个实验发现和展示了化学元素分布的不均匀性、微观结构的不连续性对氢化反应的显着影响。通过本博士论文研究工作的开展,一方面确定了合金化元素钛在合金中的不同存在形态,以及各种形态对氢化腐蚀成核生长的影响；另一方面,铀钛合金微观组织结构多样性的特征为研究氢化成核机制提供了独特的模型,而实验上观察到的氢化成核点和微观组织结构之间的对应、关联性为“金属的性质是决定氢化成核点的主要因素”的观点提供了有力佐证,促进了氢化腐蚀成核机制的研究。此外,研究结果揭示出合金中化学组分分布的不均匀性和微观组织结构的差异性往往会对材料的抗氢化腐蚀带来不利的影响,这也为工程上改善铀及其合金的抗氢化腐蚀能力提供了有益的指导和支撑。
纪和菲[3]2014年在《组织结构对U-5.7wt.%Nb合金氢化反应的影响》文中研究指明本文系统研究了6种热处理状态U-5.7wt.%Nb(后文称U-5.7Nb)合金样品(淬火态、200℃C/6h,400℃/3h,400℃/9h,500℃/2h,400℃/3h+500℃/2h)的微观组织结构,并在相同条件下对比研究了不同样品氢化行为的差异性。结果表明U-5.7Nb合金自身组织结构对氢腐蚀过程中氢化物的生长扩张起到了决定性的作用,这促进了对铀铌合金氢腐蚀影响因素的科学认识,并且为今后铀铌合金氢腐蚀研究奠定了基础。本文所获得的研究结果具体如下：利用激光共聚焦显微镜(LSCM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等对各个状态氢化反应前后合金样品进行了显微形貌、显微结构和相组成等方面的研究；分析结果表明淬火态和200℃/6h时效态U-5.7Nb合金的相组成为过饱和a”相,遍布于材料体相的是板条马氏体孪晶,两种状态的样品在本文氢化反应条件下并没有观察到氢化反应的发生；合金样品经过400℃C时效处理后,反应前样品与淬火态相比宏观组织形貌发生了变化,晶界和夹杂处首先发生相分解形成不连续沉淀(DP),即成核长大,晶粒内部孪晶数目减少,形成针状组织构成了网格状形貌,XRD分析结果显示其相组成由淬火态的α”相变为α”加上少量的贫铌a相。对其进行相同条件下的氢化反应实验,样品表面反应产生的氢化区域形貌随着时效时问的延长由典型的树枝状形貌变为枝状形貌与层片状圆形区域共存的现象。400℃C/3h时效样品氢化物的扩张在宏观上存在明显的优先性,与组织结构中形成的网格状组织存在较好的对应关系,而在400℃C进一步时效6h样品经过氢化后,氢化物在较大尺度上仍存在优先反应趋势,但是同时也形成了层片状圆状的氢化区域；500℃C时效处理的两组样品分别发生了相对完全和较为完全的相分解,相分解区域为层片状双相DP结构,其相组成为贫铌α相和γ0相。对两种状态样品进行相同条件下的氢化反应实验,氢化反应优先发生在原γ相晶界处和夹杂处形成DP相区域,所有氢化区域都为层片状形貌,反应前后XRD对比分析表明氢与双相结构中的贫铌α相发生氢化反应。
李瑞文[4]2009年在《U-2.5wt%Nb合金的氢蚀及其对力学性能影响》文中认为金属铀及其合金作为核工程中重要组成材料而备受关注。铀及其合金非常活泼且存在多种相结构,在其贮存和使用过程中存在两个方面的老化问题:与环境气氛作用引起的表面腐蚀和不稳定相分解引起的结构性能变化。因此这两方面就成为铀及其合金研究的热点和难点。本论文以U-2.5wt%Nb合金表面氢腐蚀可能引起合金力学性能老化的问题为研究背景而展开。(1)系统地利用在线显微镜研究了U-2.5wt%Nb合金氢蚀初期氢化物的生长与成核动力学。研究结果表明,在一定温度范围内,氢化物的生长速度与反应温度符合Arrhenius关系,U-2.5wt%Nb合金氢化物生长激活能为24.34kJ/mol。在远离平衡态的实验条件下,压力对氢化物生长速度影响显得非常弱。样品表明氢化物成核数目的试验结果表明氢化物成核速度与温度遵从Arrhenius关系,与压力成正比。对氢蚀成核位置的初步研究发现,对于U-2.5wt%Nb合金,晶界并不是成核的优先选择,样品表面某些尖角处和粗糙处容易发生氢蚀,材料表面越粗糙,氢蚀越易发生。(2)系统地研究了U-2.5wt%Nb合金氢蚀初期孕育期影响因素,并探讨了其内在机制。研究结果表明:U-2.5wt%Nb合金氢蚀存在孕育期,相对于未合金化铀,U-2.5wt%Nb合金更易发生氢蚀。U-2.5wt%Nb与U合金氢蚀成核形貌也有所不同。温度和压力对孕育期实验揭示了孕育期存在机理,即“扩散屏蔽”机制。较低温下(＜125℃)孕育期随反应温度的升高而减小,表现为Arrhenius关系,其表观活化能为22.92kJ/mol。孕育期随反应压力升高而减小,孕育期与反应氢压力成反比关系。孕育期随氧化膜增加而显着增加。超过125℃,孕育期随反应温度的升高而增加,表明孕育期的“扩散屏蔽”机制已经失效。利用现有处理手段,对氢蚀动力学不同影响因素进行了研究,结果表明,预热处理显着影响U-2.5wt%Nb合金氢蚀孕育期;表面等离子注氮能显着提高U-2.5wt%Nb合金的抗氢蚀性能。添加不同浓度CO的氢气非常明显的延长了孕育期。(3)利用加速腐蚀方法,采用标准拉伸力学试样,研究了氢腐蚀对材料力学性能的影响。结果显示,U-2.5wt%Nb合金断后伸长率和断面收缩率下降非常明显,抗拉强度略有下降,屈服强度和弹性模量变化不明显。拉伸样表面腐蚀形貌、断口形貌、剖面形貌试验结果显示,氢蚀引起的表面缺陷如蚀坑、微裂纹、氢扩散区导致了材料力学性能的下降,生成氢化物相是导致材料变脆的主要原因。获得了U-2.5wt%Nb合金准静态下拉伸本构方程,氢蚀后材料的应变硬化能力发生变化。采用应变能密度理论,以表面存在微裂纹的拉伸样来模拟氢腐蚀的影响,计算了表面存在不同长度微裂纹时应变能密度的变化。模拟结果显示,表面腐蚀形成的缺陷如微裂纹确实降低了氢化腐蚀后铀铌合金抗拉强度和延伸率,特别是延伸率下降较多。随着裂纹尺度的增加,力学性能参数下降更多。有限元计算结果与实验结果吻合较好。计算了含有一定环境气氛的铀材料在密闭体系经过长期充分作用后,体系内各组分的含量,尤其是氢分压和氢量。结果表明湿度引起的水含量生成的氢气量,足以使材料发生氢腐蚀,当湿度为80%时最大单位面积腐蚀量可达0.096mol/mm~2,但这个腐蚀量不足以引起材料整体力学性能发生较大变化。但是如果这么大的氢气量在某个薄弱点发生腐蚀,不能以平均值计算。(4)利用Hopkinson杆实验研究了U-2.5wt%Nb合金动态力学行为和微结构变化,并研究表面氢蚀对其动态力学行为的影响。获得了材料在10~(-3)-10~3/s应变速率范围内材料的应力应变曲线,利用Johnson-Cook本构模型获得了U-2.5wt%Nb合金高应变速率下的本构方程。高应变速率下材料的屈服强度明显增加说明U-2.5wt%Nb合金是应变率敏感材料。氢蚀样和原始样一样对应变速率敏感,敏感程度相近,氢蚀后在塑性变形阶段的应变强化效应略有不同,应变指数增大,抗应变能力增强,氢蚀样屈服强度提高,屈服应变增大,腐蚀缺陷加快了材料塑性变形。材料在高应变速率下的微结构演化结果显示,在应变率低于1500s~(-1)时,合金的变形机制仍以滑移为主,晶界结构未见明显变化,尚未观察到明显剪切带。
帅茂兵, 郎定木, 李嵘, 王佑智[5]2002年在《氢化处理对高碳铀及其合金微观组织的影响》文中研究表明采用材料的氢化处理技术对高碳铀及其合金进行氢热处理 ,用扫描电子显微镜 (SEM)和X射线衍射 (XRD)方法研究了氢化处理后合金微观组织结构的变化。结果表明 :铀及铀合金经过氢化处理后 ,碳、氮和氧含量明显减少 ,合金成分更均匀 ,合金中夹杂和析出物明显减少。
张光辉[6]2015年在《抗氢致歧化ZrCo系贮氚合金研制及歧化机制研究》文中研究指明聚变能是一种安全、洁净、燃料资源丰富的理想能源。国际热核实验堆(ITER)是目前为研究可控磁约束核聚变技术而开展的重大国际科技合作项目,ZrCo合金由于其优异的吸放氢动力学性能、较低的室温离解平衡以及较好的固氦性能,在贮氚领域存在其特有的优势,其作为ITER项目中氘氚燃料循环系统中的大规模氘氚气体贮存、供应以及回收的重要候选材料在近年来得到广泛的研究关注,然而,其在高温氢同位素气氛下易发生氢致歧化效应以及在杂质气氛中易毒化造成贮氚性能的大幅衰减的问题亟待解决。合金化改性作为目前ZrCo贮氚合金主要改性途径,然而目前合金化改性对ZrCo贮氚合金氢致歧化效应的影响规律、作用机制以及与气体杂质相互作用机制均尚未明确。针对以上迫切需要研究的基础与应用问题,为开发一类具有较好抗氢致歧化性能及综合储氢性能优良的ZrCo系贮氚合金,本论文在详细调研国内外文献的基础上,通过电弧熔炼及真空退火等技术制备一系列元素替代改性的ZrCo系贮氚合金,采用XRD、SEM、EDX、TG-DSC、XPS、TPD等材料表征技术以及Sievert-型吸放氢性能测试方法,研究Ti、Sc替代Zr位,Ni、Fe替代Co位的ZrCo合金的结构、热力学性能和歧化效应及歧化动力学,以及与杂质气体相互作用的影响；研究适量Ce掺杂对Zro.8Hfo.2Co的相结构以及成分分布及吸放氢动力学、同位素效应以及歧化效应的影响。相关研究结果可为ITER等涉氚项目中大规模氚供给与贮存系统的贮氚材料研制提供技术支撑,具有一定的应用价值及科学意义。获得研究结果如下：(1)制备Ti、Sc、Fe、Ni替代的ZrCo合金均为ZrCo相结构。Ti替代Zr导致ZrCo的晶格常数减小,且随Ti替代含量的增加,晶格常数呈递减规律,而Sc替代Zr位、Ni、Fe替代Co位不同程度的使ZrCo的晶格常数增加。Ti替代Zr提升ZrCo合金的放氢坪台压力,随Ti含量增加,平衡压增加,且放氢PCT坪台的倾斜度显着增加,坪台性能降低。Fe替代Co导致ZrCo合金的放氢坪台压力降低。Ti替代Zr可大幅改善ZrCo贮氚合金抗氢致歧化性能,在673K、723K和773K及60kPa氢压下1000min内歧化率分别为1.13%、5.46%、5.54%,且Ti替代量增加可显着增强ZrCo合金的抗氢致歧化性能。Fe、Sc、Ni掺杂会不同程度的促进歧化反应,不利于ZrCo的实际应用。ZrCo合金的歧化反应与第一步放氢温度以及晶格常数存在密切关联。Ti元素替代Zr可通过改变间隙占据尺寸,改变晶格中氢在不稳定占据位8f2和8e的占据比例,降低歧化驱动力,从而有效改善ZrCo合金的抗歧化能力。随Ti替代Zr元素的含量增加,第一步放氢温度升高以及晶格常数减小,降低氢在8f2和8e位的占据比例,进一步提高抗氢致歧化能力。Ti替代Zr大幅降低ZrCo合金的初次吸氘动力学,形成规整的层片状氢化物结构,有效降低ZrCo合金氢化过程的粉化效应。随Ti替代Zr含量增加,ZrCo合金吸放氢动力学均有所下降。Ti含量在x=0.1-0.2范围内替代ZrCo合金具有较好的储氢性能及抗歧化性能。(2)Hf替代Zr可改善ZrCo合金的初次吸氘动力学,且具有较好的吸放氢动力学性能。Hf替代Zr导致ZrCo合金中AB2杂质相的比例增加,随Hf含量的增加,质量储氢密度有逐渐减小的趋势。ZrCo合金的放氢坪台压力及抗氢致歧化性能随Hf替代Zr含量的增加均有所提升,温度,压力以及歧化次数的增加都会一定程度加速氢致歧化效应。实验结果表明Hf替代Zr的ZrCo合金抗歧化效应增强机制与Ti替代表现类似的规律。Hf含量在x=0.1-0.2范围内替代ZrCo合金具有较好的储氢性能及抗歧化性能。(3)通过Ce掺杂Zr0.8Hf0.2Co合金可有效降低AB2及ZrOx杂质相的析出,有利于提高合金的成分均匀性,有效提升Zr0.8Hf0.2Co合金的储氢容量。Ce掺杂Zr0.8Hf0.2Co合金的歧化速率较小,表现出较好的抗歧化性能,且氘致歧化速率慢于氢致歧化速率。Ce掺杂Zr0.8Hf0.2Co合金在高温下呈现正同位素效应,随温度升高,同位素效应加大。(4)在高纯氢气氛中室温下吸氢速率的次序为ZrCo0.gFe0.2> ZrCo> ZrCo0.8Ni0.2>Zr0.8Hf0.2Co>Zr0.8Sc0.2Co> Zr0.8Ti0.2Co。室温CO毒化吸氢动力学测试表明Hf替代Zr位有效增强ZrCo合金的抗CO毒化性能,Fe替代Co会较大幅度加剧CO毒化作用。Ti、Sc元素替代会不同程度加剧CO毒化作用。实验获得CO毒化的元素改性ZrCo合金再生处理工艺条件。TOF-SIMS、XPS及TPD测试结果表明Ti掺杂ZrCo导致毒化程度加深,CO在ZrCo合金表面形成复杂碳氧化合物,毒化样品表面的Zr和Co元素分别主要以ZrO2和Co(OH)2形式存在,理论计算表明CO在ZrCo (110)表面倾向于在Co顶位及Zr-Zr桥位吸附,且以化学吸附为主。
朱立君[7]2017年在《合金化元素Nb对铀氢化行为的影响研究》文中提出铀及其合金的氢蚀会严重影响其使用性能,为抑制氢化腐蚀,需要深入理解氢化腐蚀行为特征及其深层次机理。本文利用气固反应系统,采用PVT法结合体视显微镜原位观察铀铌合金的氢蚀,利用X射线衍射(XRD)、激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电镜(SEM)等,对比分析了淬火铀铌合金及缓冷双相U-2.5wt.%Nb合金显微组织结构的异同,初步获得了铌含量对淬火态铀铌合金的氢化行为的影响规律,并发现铀铌合金显微组织结构与氢化初期形核有一定的关联,具体结论如下:(1)系统研究了合金化元素铌对淬火铀铌合金的微观组织结构的影响。对名义Nb含量分别为1、2、2.5、4、5、5.7、7 wt.%的7种淬火态铀铌合金分析表征显示:U-1wt.%Nb、U-2wt.%Nb合金淬火后主要为α'相的针状马氏体;淬火态U-2.5wt.%Nb合金的微观组织结构为针状马氏体和板条马氏体混合的α'相;U-4wt.%Nb、U-5wt.%Nb和U-5.7wt.%Nb合金的淬火态为板条马氏体遍布的α”相;而淬火U-7 wt.%Nb合金则主要表现为板条马氏体γ0相。(2)初步揭示了合金化元素铌对淬火态铀铌合金氢蚀行为的影响。研究表明,就总体趋势而言铌含量的增加会提高铀铌合金的耐蚀性,而对铌含量增加的不同阶段而言又各有不同。共分为四个阶段:第一阶段为低浓度合金,如U-1wt.%Nb、U-2wt.%Nb的氢蚀,在这个范围内的合金中Nb的含量非常少,因此Nb含量的影响比较显着;第二阶段为U-2.5wt.%Nb,该合金为针状马氏体和板条马氏体的混合,界面缺陷比较高,为降低界面能在界面处形成了大量适配位错,而位错作为优先形核位点导致该合金在氢蚀初期形成大量优先形核位点,故而氢蚀较快;第叁阶段为U-4wt.%Nb、U-5wt.%Nb的氢蚀,该阶段Nb的含量已较高,反应明显减慢;直至第四阶段U-5.7wt.%Nb和U-7wt.%Nb,Nb含量已很高,淬火铀铌合金的氢化腐蚀已较难发生。(3)进一步探讨了缓冷双相U-2.5wt.%Nb合金组织结构对氢化行为影响研究。研究表明,缓冷态双相U-2.5wt.%Nb合金的氢蚀很快,且只形成“大形核点”,即发生形核后均后迅速长大。在缓冷态双相U-2.5wt.%Nb合金表面,贫铌α相的氢蚀速率要大于富铌γ1-2相而优先发生氢化腐蚀,并随着反应时间的延长,相间于α相之间的γ1-2相也相继发生氢蚀而连成一片迅速长大。即双相U-2.5wt.%Nb合金的氢蚀具有优先形核位点:贫铌α相。氢蚀后试样亚表层发生氢渗透形成氢扩散区,该区域材料性质发生改变,但尚未达到生成UH3的临界浓度而未相变,其硬度和弹性模量均低于基体。(4)初步考察了表面粗糙度对铀氢化行为的影响。对表面粗糙度不同的缓冷态双相U-2.5wt.%Nb合金进行氢化反应发现,试样表面粗糙度越低,则氢蚀越缓慢;反应生成氢化物的生长具有择优取向行为,且氢蚀优先在砂纸打磨形成的峰谷位置形核,初步分析认为峰谷和峰底的应力分布差异是可能的诱因。
贾建平[8]2011年在《混合堆背景下铀钼合金燃料材料的设计与制备技术研究》文中进行了进一步梳理磁约束聚变-裂变混合堆能源系统(以下简称混合堆)的基本原理,是利用Tokamak装置内D-T聚变释放的高能中子驱动以238U或232Th为燃料的次临界裂变反应堆,实现能量倍增,并生产氚以维持Tokamak装置氚自持。其技术特点是：利用聚变中子良好的中子增殖特性,与可裂变核素作用产生易裂变核素,利用轻水的强慢化作用,将中能中子迅速慢化到热能,同时使易裂变核素就地裂变放能。使用的燃料,无论是天然铀/钍还是乏燃料,都无需进行同位素分离。混合堆的实现,将打破资源束缚,大幅度提高资源的利用效率,是突破性的技术进展。作为混合堆应用的关键技术和先决条件之一,次临界裂变堆燃料材料的设计与制造技术研发被提上了日程。裂变燃料元件承担着接受聚变中子辐照和裂变放能的任务,是次临界堆的核心部分,也是实现混合堆能量增殖的关键部件。混合堆是一个创新的能源系统概念,因此与传统裂变堆燃料元件不同,混合堆中次临界堆裂变燃料元件面临一个全新的工作环境,对其性能要求也有所不同。本论文针对聚变裂变混合堆应用背景,分析了次临界能源包层中裂变核燃料材料的技术要求,从成分和结构两个方面开展了材料设计工作。选择了铀钼系二元或叁元合金作为研究对象,以U-10wt.%Mo合金为重点,设计并验证了一条真空熔炼铸造-氢化去氢制粉-真空固相烧结的技术路线,成功地制备了含一定孔隙度的核燃料材料。主要探讨了铀钼系合金的Y相稳定性、U-10wt.%Mo合金氢化反应机理、粉末冶金工艺对制品孔隙度的影响规律以及孔隙对合金力学、热物理性能的影响规律。主要研究结果如下：(1)研究了合金元素对铀钼合金γ相稳定性的影响规律。使用成熟的相图计算软件模拟计算了U-Mo-Zr和U-Mo-Nb叁元合金相图,设计选择了几种典型成分并制备了叁元合金样品。对样品的相结构和微观组织结构进行了表征。结果证实了对于γ相稳定性而言,在U-Mo系合金中添加Nb的效果比添加Zr要好。(2)运用氢化反应原位观察实验技术,结合表面分析技术详细研究了U-10wt.%Mo合金的氢化反应机理。结果表明,U-10wt.%Mo合金氢化反应可分为孕育期、形核期、生长期叁个阶段。环境中的氢需要通过氧化层扩散到达金属表面才能发生氢化反应,因此氧化层的厚度与氢化反应的速率有关。由于部分相分解的U-10wt.%Mo合金表面氧化层存在龟裂现象,导致该处氧化层相对于γ相区更薄,氢易于从此处扩散到达氧化物-金属界面发生氢化反应,所以氢化物形核基本都在相变区域,且氢化反应速率远比Y相U-10wt.%Mo合金快；而γ相U-10wt.%Mo合金表面氧化层致密完整,因此存在一个较长的孕育期。实验结果显示,氧化层的结构对U-10wt.%Mo合金与氢的反应有重要的影响。(3)测试了不同Mo含量U-Mo合金的室温力学性能和硬度。结果证实材料的力学性能并不与Mo含量直接相关,而是与其微观组织结构相关。针对混合堆应用环境,测试了U-10wt.%Mo合金在400℃、500℃、600℃下的拉伸力学性能。发现在此温区,材料的强度下降到室温的一半左右。实验同时证实,铸态的U-10wt.%Mo合金塑性较差,这可能与晶界处富集的夹杂物弱化晶界结合强度有关。(4)开展了含孔隙U-10wt.%Mo合金样品粉末冶金制备方法研究。发现在800℃,900℃下铀钼合金的烧结致密化效果不明显,在1100℃下烧结样品才会出现比较快的致密化过程,但是如果想要再提高温度,则可能出现样品熔化。因此,1100℃是比较适宜的温度条件。而对烧结时间的控制则可实现对样品密度的控制。由此找到了制备适当密度样品的工艺方法。(5)测量了固态及多孔U-10wt.%MO合金的热物理性能数据。实验发现,U-1Owt.%Mo合金的热导率随温度的上升而上升,随样品中孔隙率的上升而近似线性下降,其规律复合Loeb方程。作为一种具有潜在应用前景的金属型核燃料材料,其热物理性能对其应用有重要的意义,也是堆物理模拟的关键参数。这些参数将对建立高置信度的模型具有重要的参考价值。
张广丰[9]2015年在《密闭体系中Fe、Al、Si对U-0.7wt.%Ti合金与水汽反应的影响》文中指出金属铀及其合金是重要的核材料,兼具结构和功能两方面的作用,在核工业中有广泛的应用。同时,铀及其合金的活性很高,极易与环境中的各种活性气体(氧、氢、水汽等)反应而导致腐蚀,影响其结构和性能。铀及铀合金在环境气氛中腐蚀行为与其所含杂质、表面状态、热处理条件密切相关。鉴于目前关于杂质对铀合金的氧化及氢化行为研究并不充分,本论文以杂质(Fe, Al、Si)对U-0.7wt%Ti合金表面氧化腐蚀和氢化腐蚀行为影响研究为背景而展开。实验中所用U-0.7wt.%Ti合金样品共分为叁种状态,即铸态样品、缓冷态样品和淬火态样品。重点研究了杂质种类、存在形式以及含量对U-0.7wt.%Ti合金氧化和氢化腐蚀行为的影响,并针对杂质的引入导致材料微观组织结构变化进而影响U-0.7wt.%Ti合金氧化和氢化腐蚀行为的机制给出了合理的解释。1)通过扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)并结合差示扫描量热法(DSC),考察了杂质(Fe、Al、Si)以及热处理工艺对U-0.7wt.%Ti合金组织结构的影响。确定了杂质元素在U-0.7wt.%Ti合金中主要以固溶杂质(Fe、Al、Si)以及金属间化合物(U3Si, U6Fe, UAl2)形式存在,还有少部分杂质原子与钛结合形成钛杂质相(TixSiy,TixAly等)。上述杂质元素的引入还能够细化U-0.7wt.%Ti合金晶粒,进一步导致U-0.7wt.%Ti合金的组织结构发生变化。2)采用PVT法结合在线显微镜研究了杂质的种类、存在形式及含量对U-0.7wt%Ti合金与氢反应初期动力学的影响。氢化实验前通过对样品进行预热处理来确保样品表面的一致性,并通过孕育期的长短来评价杂质的引入对U-0.7wt.%Ti合金氢化腐蚀行为的影响。结果表明,杂质硅能够加速淬火态U-0.7wt.%Ti合金(硅主要以固溶形式存在)以及缓冷态U-0.7wt.%Ti合金(硅主要以U,Si相形式存在)的氢化腐蚀；杂质Si主要通过降低铀氢化的活化位垒、促进氢化成核来加速U-0.7wt.%Ti合金的氢化反应。杂质铝对U-0.7wt%Ti合金氢化腐蚀行为的影响较为复杂,对于含杂质铝的淬火态(铝主要以固溶形式存在)样品来说,铝主要通过细化U-0.7wt%Ti合金的晶粒,即增强晶界反应来加速其氢化腐蚀；而对于含杂质铝的缓冷态(铝主要以UA12相形式存在)、铸态样品来说,铝主要通过抑制铀的氢化成核来提高其抗氢化腐蚀性能。杂质铁能够加速淬火态U-0.7wt.%Ti合金(铁主要以固溶形式存在)以及缓冷态U-0.7wt.%Ti合金(铁主要以U6Fe相形式存在)的氢化腐蚀,这主要源于杂质铁的引入能够细化晶粒,从而产生大量的晶界而加速U-0.7wt.%Ti合金的氢化反应。3)采用称重法结合拉曼光谱研究了杂质的种类和存在形式对U-0.7wt%Ti合金在潮湿密闭环境气氛中氧化腐蚀行为的影响。结果表明,在U-0.7wt.%Ti合金中引入一定量的杂质后,固溶铝或固溶硅对淬火态U-0.7wt.%Ti合金的氧化腐蚀影响并不明显,而固溶铁能够提高淬火态U-0.7wt.%Ti合金的抗氧化腐蚀性能。U3Si相以及UA12相的形成对缓冷态U-0.7wt.%Ti合金的氧化腐蚀影响并不明显,而U6Fe相的形成能够提高U-0.7wt.%Ti合金的抗氧化腐蚀性能。研究认为杂质对U-0.7wt.%Ti合金氧化腐蚀行为的影响与杂质对铀钛合金表面氧化物向更高价态铀氧化物转化的抑制作用以及杂质离子致铀氧化层中的空位性质相关。4)初步考察了铀水氢叁元体系的反应性质。结果表明,水汽对铀氢反应有一定的抑制作用,而氢化腐蚀对铀水反应有一定的促进作用。证实U-0.7wt.%Ti合金材料贮存环境中的水汽产生的氢气能够导致其发生氢化腐蚀,进而有可能引发U-0.7wt.%Ti合金的自燃,针对如何避免或控制潮湿密闭环境中铀材料的氢化腐蚀给出了建议。5)利用氢同位素质量变化导致铀氢化物拉曼谱峰位置的相对变化关系,以及通过变更激光波长来消除荧光对拉曼光谱测量的影响,首次较为准确的确认了铀氢化物和铀氘化物的拉曼光谱。其中,UH3的特征峰位于725和938cm-1附近,UD3的特征峰位于518和669cm-1附近。本论文的研究结果揭示了杂质(Fe、Al、Si)对U-0.7wt.%Ti合金微观组织的影响,以及含杂质的U-0.7wt.%Ti合金内在结构变化和杂质元素自身性质与氧化腐蚀和氢化腐蚀之间的关联。例如杂质铁一方面通过细化U-0.7wt.%Ti合金的晶粒来加速其氢化腐蚀,另一方面又能通过抑制表面铀氧化物向更高价态铀氧化物的转化(铁元素自身性质)来提高其抗氧化腐蚀性能。上述这些研究结果有助于深入理解杂质对铀及铀合金氧化腐蚀和氢化腐蚀行为的影响,并能够对铀及其合金在实际应用中的腐蚀防护提供有益的指导。
张瑞谦, 刘思维, 蒋明忠, 刘超红, 潘钱付[10]2011年在《细棒状铀-氢化锆燃料芯块制备与显微结构初步研究》文中进行了进一步梳理采用熔炼铀-锆合金然后渗氢的工艺制造细棒状铀-氢化锆燃料芯块,通过改变熔炼工艺参数提高铀-锆合金的铸造质量和成品率。在渗氢的工艺中,采用不同工艺对铀-锆合金进行氢化,氢化后芯块中的氢/锆原子比在1.41~1.72之间,而芯块的尺寸相对于氢化前也有不同程度的增加。微观分析表明,氢化后得到的燃料芯块中含有多种相结构,其中金属铀比较均匀地弥散在氢化锆基体中,燃料芯块的氢分布出现边缘高中心低的特征。
参考文献：
[1]. 铀合金的氢化特性和氢化处理研究[D]. 帅茂兵. 中国工程物理研究院. 2001
[2]. 合金化元素钛对U-0.79wt.%Ti合金氢化行为影响研究[D]. 史鹏. 中国工程物理研究院. 2013
[3]. 组织结构对U-5.7wt.%Nb合金氢化反应的影响[D]. 纪和菲. 中国工程物理研究院. 2014
[4]. U-2.5wt%Nb合金的氢蚀及其对力学性能影响[D]. 李瑞文. 中国工程物理研究院. 2009
[5]. 氢化处理对高碳铀及其合金微观组织的影响[J]. 帅茂兵, 郎定木, 李嵘, 王佑智. 原子能科学技术. 2002
[6]. 抗氢致歧化ZrCo系贮氚合金研制及歧化机制研究[D]. 张光辉. 中国科学技术大学. 2015
[7]. 合金化元素Nb对铀氢化行为的影响研究[D]. 朱立君. 中国工程物理研究院. 2017
[8]. 混合堆背景下铀钼合金燃料材料的设计与制备技术研究[D]. 贾建平. 中国工程物理研究院. 2011
[9]. 密闭体系中Fe、Al、Si对U-0.7wt.%Ti合金与水汽反应的影响[D]. 张广丰. 中国工程物理研究院. 2015
[10]. 细棒状铀-氢化锆燃料芯块制备与显微结构初步研究[J]. 张瑞谦, 刘思维, 蒋明忠, 刘超红, 潘钱付. 核动力工程. 2011