[发明专利]铀锆合金粉末的制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于核材料制备技术领域，具体涉及一种铀锆合金粉末的制备方法，本发明可用于制备满足一定粒径要求的铀锆合金粉末。

背景技术

传统核能工业中应用的二氧化铀和铀的金属间化合物材料的粉化工艺已经较为成熟。由于它们普遍比较脆，一般采用机械研磨法进行粉末的制备，但是这种工艺很难直接应用到铀锆合金燃料材料的粉末制备中，原因是，铀基合金表现出很强的金属性质，它的塑性要比二氧化铀和铀的金属间化合物材料好得多。随着研究的不断深入，人们又逐渐提出了氢化去氢化法和雾化法，这两种方法由于引入杂质较少而更具优势。

上世纪50年代，氢化去氢化法就被应用与金属铀粉末的生产，该方法被认为是一种非常好的制备超细（一般在38μm以下）粉末的方法。其工艺流程如下：将铀钼合金块体在氢气氛下加热，在适当的温度下（一般低于300℃）铀会与氢气反应，铀的氢化物密度（10.9gcm³）比金属铀密度（约19gcm³）要低得多，在应力作用下会逐步以氢化物粉末的形式从块体上脱落下来。氢化完成后，将氢化物粉末在真空下加热，氢气会逐渐解离放出，最后制得铀合金的粉末。

2000年阿根廷的Balart等人在一篇报告中详细描述了他们使用的氢化去氢工艺。这里他们利用了铀钼合金的α相更容易被氢化的特性，首先用一定的热处理使铀钼合金(γ相)的晶界处析出α相，通过对α相的氢化使铀钼合金在晶界间分开粉化。在去氢后再通过热处理使铀钼合金粉末回复γ相。实验中使用的铀钼合金成分为U-7Mo和U-8Mo，作者认为含钼在5~8%之间的铀钼合金更适合于这种工艺，因为它们用热处理发生向α相的相变相对容易。可以想见，通过这种方法得到的粉末中每个颗粒相当于之前块体材料的一个晶粒。于是很容易想到，可通过控制原材料的晶粒大小来控制粉末的粒度分布。2002年阿根廷的Balart等人通过热处理得到不同晶粒度的铀钼合金，然后按上述方法氢化去氢得到粉末，实现了对粉末粒度分布的粗略控制。2002年阿根廷的Pasqualini等人还开发了另一种氢化去氢化法。与上面的方法不同的地方在于，该方法没有之前的α相变热处理过程直接让亚稳态γ相的合金氢化。这种氢化物颗粒较大，所以还需要一个研磨过程使之碎化，然后去氢化。该工艺被成为HMD（Hydriding-milling-dehydriding）工艺，即氢化-研磨-去氢工艺。HMD工艺首先需要一个吸氢活化过程。首先将U-7Mo合金在1bar氢气压强下加热到700℃保温1个小时左右。这个过程保证了合金块材可以被均匀的氢化，但是其机理尚不清楚。源于铸造工艺的残余应力对这一过程影响很大，尤其是在表面为压应力的情况下，吸氢效果不好。此后才是正式的氢化过程，氢化温度可以在50℃～190℃之间，但最快的吸氢速率发生在120℃。氢气压强保持在2atm以下，随着氢气压强的上升，吸氢速率也会增加。在合适的条件下，最快的吸氢速率可以达到1ltmin.kg。此时的产物一般为5mm左右的颗粒，化学式可用MH_3-x表示，其中M表示U-7Mo合金，x一般小于0.5。由于这样的颗粒是脆性的氢化物相，因此可通过一个研磨过程进一步碎化。粉末的粒度分布可近似通过研磨工艺参数控制。为避免氢化物的自燃，整个工艺在低氧手套箱中进行（氧含量低于5%）。去氢化过程在700℃的真空气氛下进行。需要注意的是在将粉末暴露于空气中之前，要先进行一步预氧化钝化过程（25%空气75%氩气中暴露一小时，50%空气50%氩气再暴露一小时），以免突然的大量氧化造成自燃。

同一时期，俄罗斯也对氢化去氢工艺进行了研究，他们使用的是含钼量在1.9 wt.%～9.5wt.%的一系列铀钼合金。与阿根廷的工艺不同，他们首先将γ相的铀钼合金通过热处理完全转化为α相和γ’相(U₂Mo)的双相组织，然后进行氢化去氢化，最后通过一个淬火过程使粉末回复为γ相。研究结果显示，铀钼合金粉末的粒度分布与钼含量有关，随着钼含量的上升，铀钼合金粉末中粗颗粒的份额也会增加。如果粉末颗粒太粗，也可以再做几次氢化去氢化的循环，颗粒尺寸会进一步减小。在铀钼合金中添加铝和锡将会使粉末细化更为容易。