本發(fā)明屬于核燃料及制備技術領域，具體涉及一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法。

背景技術：

在化石能源日益枯竭的今天，核能占據(jù)了越來越重要的地位。裂變核燃料的使用技術目前已經(jīng)相當成熟，其中基于鈾元素的核燃料應用最為廣泛。然而，普通的金屬鈾在668℃以下為α相，抗腐蝕性能和抗輻照性能都很差。作為燃料這是不可取的。γ-相的金屬鈾相比于α-相有更佳的耐輻照效應的能力，且表現(xiàn)出各向同性的熱膨脹特性，更適合作為核燃料。遺憾的是，γ-相的金屬鈾不能穩(wěn)定存在于較低的溫度范圍，其作為燃料使用存在顯著的技術障礙。一個解決這個問題的方法是通過添加鉬使金屬鈾合金化而使γ-相穩(wěn)定至室溫。U-Mo合金存在很廣的γ相區(qū)域且Mo的中子吸收截面相對較低，不會造成輻照中子源的浪費。此外，U-Mo合金因具有高的裂變原子密度、良好的抗輻照穩(wěn)定性、后處理簡單等已被認為當前極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦拖冗M核燃料。研究表明當Mo含量增加到8％可以產(chǎn)生穩(wěn)定γ相，且隨著Mo含量的增加，核燃料的γ-相穩(wěn)定性逐步提高。由于Mo元素熔點(2610℃)較高，當前熔煉制備的U-Mo合金較難實現(xiàn)均勻化，其合金成分主要控制在U-(2～12)wt％Mo。為了進一步提高U-Mo合金的穩(wěn)定性，需要研發(fā)一種合金化效果好，Mo含量更高的U基合金材料，為新型先進核燃料的研制提供指導。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，其實現(xiàn)高Mo含量U基合金的充分均勻化，使合金在獲得高穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明的技術方案為：一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，該方法首先利用非自耗真空電弧熔煉爐制備U-Mo中間合金，而后在真空感應爐中熔煉添加U塊，對U-Mo中間合金進行稀釋，制備U-(16～20)wt％Mo合金；所述的U-Mo中間合金：合金成分U含量為40～60wt％，Mo含量為40～60wt％；所述的U-(16～20)wt％Mo合金成分U含量為80～84wt％，Mo含量為16～20wt％。

如上所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，該方法包括如下步驟：

a)非自耗真空電弧熔煉

稱取一定重量的U塊，再按照U-Mo中間合金配比需求稱取Mo粒；所述的U-Mo中間合金：合金成分U含量為40～60wt％，Mo含量為40～60wt％；

將配重好的U塊和Mo粒混合裝入非自耗真空電弧熔煉爐中的水冷銅坩堝，利用非自耗鎢電極進行電弧熔煉；熔煉輸出電流為400～500A，攪拌電流5～8A，為保證樣品的均勻性，實現(xiàn)高熔點Mo的充分熔解，樣品需要翻身重復熔煉3～10次，熔煉得到的合金樣品為紐扣狀；

b)真空感應熔煉

將步驟a)非自耗真空熔煉后得到的紐扣狀合金樣品、以及按照制備U-(16～20)wt％Mo合金稱取的一定量U塊放入真空感應爐的氧化鈣坩堝內(nèi)，在1350℃～1550℃下保溫0.5h～2h進行熔煉，熔煉過程中使用電磁攪拌，然后在1300～1500℃澆注到石墨模具內(nèi)成錠；

在真空感應熔煉通過U塊將U-Mo中間合金稀釋，最后形成的合金成分為U含量為80～84wt％，Mo含量為16～20wt％。

如上所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，其步驟b)所述的石墨模具涂有氧化鋯和三氧化二釔復合涂層，即先噴涂氧化鋯涂層0.1-0.2mm，再刷涂有三氧化二釔復合涂層0.1-0.3mm。

如上所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，該方法所用原料U塊為低碳U，C≤100μg/g；Mo粒純度大于99.9％。

如上所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，該方法所用原料U塊尺寸為10mm×10mm×10mm。

如上所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，該方法所用原料Mo粒尺寸為

如上所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，其在熔煉之前要對U塊進行酸洗，首先在硝酸中反復清洗3～8min，然后在乙醇中清洗1～5min，最后吹干，以去除U塊表面的氧化層。

本發(fā)明的效果在于：本發(fā)明通過成分設計U-Mo中間合金，利用非自耗真空熔煉，達到了高熔點Mo在貧鈾基中的充分熔解，獲得了合金較充分的U-Mo中間合金紐扣狀樣品。在真空感應熔煉中添加U塊對U-Mo中間合金紐扣狀樣品進行稀釋，通過陶瓷坩堝的應用，熔煉溫度、保溫時間、合金攪拌及澆注等合金熔煉工藝的研究制定，保證了成分均勻的合金制備；獲得一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法。通過本發(fā)明方法制備的U-Mo合金化學成分均勻，成分偏析現(xiàn)象較輕，XRD檢測分析其室溫也為穩(wěn)定的γ相。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法作進一步描述。

實施例1

本發(fā)明所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，其包括如下步驟

原料準備：U塊為低碳U(C≤100μg/g)，尺寸為10mm×10mm×10mm；Mo粒尺寸為純度為99.95％。

在熔煉之前要對U塊進行酸洗，首先在硝酸中反復清洗5min，而后在乙醇中清洗3min，最后吹干，以去除U塊表面的氧化層。

a)非自耗真空熔煉

制備U-50wt％Mo中間合金：稱取50g的U塊，再稱取50g的Mo粒；

將配重好的U塊和Mo?；旌涎b入非自耗真空電弧熔煉爐中的水冷銅坩堝，利用非自耗鎢電極進行電弧熔煉；真空度為1.0Χ10^-2Pa，熔煉輸出電流為500A，攪拌電流8A，為保證樣品的均勻性，實現(xiàn)高熔點Mo的充分熔解，樣品需要翻身重復熔煉8次，熔煉得到的合金樣品為紐扣狀；

b)真空感應熔煉

將步驟a)非自耗真空熔煉后得到的紐扣狀合金樣品、以及按照制備U-20wt％Mo合金稱取的150g U塊放入真空感應爐的氧化鈣坩堝內(nèi)，在1400℃下保溫1.5h進行熔煉，熔煉過程中使用電磁攪拌，然后在1350℃澆注到石墨模具內(nèi)成錠；所述的石墨模具涂有氧化鋯和三氧化二釔復合涂層，即先噴涂氧化鋯涂層0.1mm，再刷涂有三氧化二釔復合涂層0.2mm。

在真空感應熔煉通過U塊將U-Mo中間合金稀釋，最后形成的合金成分為U含量為80wt％，Mo含量為20wt％。

通過此方法制備的U-Mo合金化學成分均勻，成分偏析現(xiàn)象較輕，XRD檢測分析其室溫也為穩(wěn)定的γ相。

實施例2

本發(fā)明所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，其包括如下步驟

原料準備：U塊為低碳U(C≤100μg/g)，尺寸為10mm×10mm×10mm；Mo粒尺寸為純度為99.95％。

在熔煉之前要對U塊進行酸洗，首先在硝酸中反復清洗8min，而后在乙醇中清洗5min，最后吹干，以去除U塊表面的氧化層。

a)非自耗真空熔煉

制備U-60％Mo中間合金：稱取40g的U塊，再稱取60g的Mo粒；

將配重好的U塊和Mo?；旌涎b入非自耗真空電弧熔煉爐中的水冷銅坩堝，利用非自耗鎢電極進行電弧熔煉；真空度為1.0Χ10^-2Pa，熔煉輸出電流為500A，攪拌電流5A，為保證樣品的均勻性，實現(xiàn)高熔點Mo的充分熔解，樣品需要翻身重復熔煉10次，熔煉得到的合金樣品為紐扣狀；

b)真空感應熔煉

將步驟a)非自耗真空熔煉后得到的紐扣狀合金樣品、以及按照制備U-16wt％Mo合金稱取275g U塊放入真空感應爐的氧化鈣坩堝內(nèi)，在1550℃下保溫0.5h進行熔煉，熔煉過程中使用電磁攪拌，然后在1500℃澆注到石墨模具內(nèi)成錠；所述的石墨模具涂有氧化鋯和三氧化二釔復合涂層，即先噴涂氧化鋯涂層0.1mm，再刷涂有三氧化二釔復合涂層0.1mm。

在真空感應熔煉通過U塊將U-Mo中間合金稀釋，最后形成的合金成分為U含量為84wt％，Mo含量為16wt％。

實施例3

本發(fā)明所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，其包括如下步驟：

原料準備：U塊為低碳U(C≤100μg/g)，尺寸為10mm×10mm×10mm；Mo粒尺寸為純度為99.95％。

在熔煉之前要對U塊進行酸洗，首先在硝酸中反復清洗8min，而后在乙醇中清洗5min，最后吹干，以去除U塊表面的氧化層。

a)非自耗真空熔煉

制備U-60wt％Mo中間合金：稱取40g的U塊，再稱取60g的Mo粒；

將配重好的U塊和Mo粒混合裝入非自耗真空電弧熔煉爐中的水冷銅坩堝，利用非自耗鎢電極進行電弧熔煉；熔煉輸出電流為500A，攪拌電流8A，為保證樣品的均勻性，實現(xiàn)高熔點Mo的充分熔解，樣品需要翻身重復熔煉9次，熔煉得到的合金樣品為紐扣狀；

b)真空感應熔煉

將步驟a)非自耗真空熔煉后得到的紐扣狀合金樣品、以及按照制備U-20wt％Mo合金稱取200g的U塊放入真空感應爐的氧化鈣坩堝內(nèi)，在1500℃下保溫1h進行熔煉，熔煉過程中使用電磁攪拌，然后在1450℃澆注到石墨模具內(nèi)成錠；所述的石墨模具涂有氧化鋯和三氧化二釔復合涂層，即先噴涂氧化鋯涂層0.2mm，再刷涂有三氧化二釔復合涂層0.3mm。

在真空感應熔煉通過U塊將U-Mo中間合金稀釋，最后形成的合金成分為U含量為80wt％，Mo含量為20wt％。

通過此方法制備的U-Mo合金化學成分均勻，成分偏析現(xiàn)象較輕，XRD檢測分析其室溫也為穩(wěn)定的γ相。

實施例4

本發(fā)明所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，其包括如下步驟

原料準備：U塊為低碳U(C≤100μg/g)，尺寸為10mm×10mm×10mm；Mo粒尺寸為純度為99.95％。

在熔煉之前要對U塊進行酸洗，首先在硝酸中反復清洗3min，而后在乙醇中清洗1min，最后吹干，以去除U塊表面的氧化層。

a)非自耗真空熔煉

制備U-50wt％Mo中間合金：稱取50g的U塊，再稱取50g的Mo粒；

將配重好的U塊和Mo?；旌涎b入非自耗真空電弧熔煉爐中的水冷銅坩堝，利用非自耗鎢電極進行電弧熔煉；真空度為1.0Χ10^-2Pa，熔煉輸出電流為450A，攪拌電流7A，為保證樣品的均勻性，實現(xiàn)高熔點Mo的充分熔解，樣品需要翻身重復熔煉7次，熔煉得到的合金樣品為紐扣狀；

b)真空感應熔煉

將步驟a)非自耗真空熔煉后得到的紐扣狀合金樣品、以及按照制備U-18wt％Mo合金稱取一定質(zhì)量U塊放入真空感應爐的氧化鈣坩堝內(nèi)，在1400℃下保溫1h進行熔煉，熔煉過程中使用電磁攪拌，然后在1350℃澆注到石墨模具內(nèi)成錠；所述的石墨模具涂有氧化鋯和三氧化二釔復合涂層，即先噴涂氧化鋯涂層0.1mm，再刷涂有三氧化二釔復合涂層0.2mm。

在真空感應熔煉通過U塊將U-Mo中間合金稀釋，最后形成的合金成分為U含量為82wt％，Mo含量為18wt％。

通過此方法制備的U-Mo合金化學成分均勻，成分偏析現(xiàn)象較輕，XRD檢測分析其室溫也為穩(wěn)定的γ相。

實施例5

本發(fā)明所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，包括如下步驟

原料準備：U塊為低碳U(C≤100μg/g)，尺寸為10mm×10mm×10mm；Mo粒尺寸為純度為99.95％。

在熔煉之前要對U塊進行酸洗，首先在硝酸中反復清洗3min，而后在乙醇中清洗5min，最后吹干，以去除U塊表面的氧化層。

a)非自耗真空熔煉

稱取60g U塊，再按照U-Mo中間合金配比需求稱取40g Mo粒；所述的U-Mo中間合金：合金成分U含量為60wt％，Mo含量為40wt％；

將配重好的U塊和Mo粒混合裝入非自耗真空電弧熔煉爐中的水冷銅坩堝，利用非自耗鎢電極進行電弧熔煉；熔煉輸出電流為400A，攪拌電流8A，為保證樣品的均勻性，實現(xiàn)高熔點Mo的充分熔解，樣品需要翻身重復熔煉5次，熔煉得到的合金樣品為紐扣狀；

b)真空感應熔煉

將步驟a)非自耗真空熔煉后得到的紐扣狀合金樣品、以及按照制備U-16wt％Mo合金稱取的150g U塊放入真空感應爐的氧化鈣坩堝內(nèi)，在1350℃下保溫2h進行熔煉，熔煉過程中使用電磁攪拌，然后在1300℃澆注到石墨模具內(nèi)成錠；

在真空感應熔煉通過U塊將U-Mo中間合金稀釋，最后形成的合金成分為U含量為84wt％，Mo含量為16wt％。

所述的石墨模具涂有氧化鋯和三氧化二釔復合涂層，即先噴涂氧化鋯涂層0.1mm，再刷涂有三氧化二釔復合涂層0.1mm。

實施例6

本發(fā)明所述的一種高Mo含量U基合金的熔煉制備方法，包括如下步驟：

原料準備：U塊為低碳U(C≤100μg/g)，尺寸為10mm×10mm×10mm；Mo粒尺寸為純度為99.95％。

在熔煉之前要對U塊進行酸洗，首先在硝酸中反復清洗8min，而后在乙醇中清洗1min，最后吹干，以去除U塊表面的氧化層。

a)非自耗真空熔煉

稱取45g的U塊，再按照U-Mo中間合金配比需求稱取55g的Mo粒；所述的U-Mo中間合金：合金成分U含量為45wt％，Mo含量為55wt％；

將配重好的U塊和Mo?；旌涎b入非自耗真空電弧熔煉爐中的水冷銅坩堝，利用非自耗鎢電極進行電弧熔煉；熔煉輸出電流為500A，攪拌電流6A，為保證樣品的均勻性，實現(xiàn)高熔點Mo的充分熔解，樣品需要翻身重復熔煉6次，熔煉得到的合金樣品為紐扣狀；

b)真空感應熔煉

將步驟a)非自耗真空熔煉后得到的紐扣狀合金樣品、以及按照制備U-20wt％Mo合金稱取的175g U塊放入真空感應爐的氧化鈣坩堝內(nèi)，在1550℃下保溫1h進行熔煉，熔煉過程中使用電磁攪拌，然后在1500℃澆注到石墨模具內(nèi)成錠；

在真空感應熔煉通過U塊將U-Mo中間合金稀釋，最后形成的合金成分為U含量為80wt％，Mo含量為20wt％。

所述的石墨模具涂有氧化鋯和三氧化二釔復合涂層，即先噴涂氧化鋯涂層0.1mm，再刷涂有三氧化二釔復合涂層0.1mm。