[发明专利]一种铀金属的液固扩散实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种铀金属的液固扩散实验方法，包括装炉过程、熔炼过程、扩散过程、淬火过程四个过程，采用为液态镓铟合金作为冷却淬火介质；本发明的液固扩散实验效果较优，采用坩埚和型腔设计，熔炼之后可进行快速冷却，较好的保留了所需的扩散状态，同时本发明方法可根据需要改变扩散程度，达到研究液固熔解扩散机理及行为的目的，获得的样品界面明显，扩散实验效果较好。

技术领域

本发明涉及金属熔炼和成型工艺技术领域，更具体地讲，涉及一种铀金属的液固熔解扩散实验装置及方法。

背景技术

铀与钼、锆、铌等元素合金化形成的铀合金，具有优异的综合力学性能和良好的抗腐蚀性能，是核工程中重要的结构材料和功能材料。然而，由于合金元素和铀元素间物理化学性质的差异及其凝固特点，在铀合金制备过程中极易出现合金化不充分及元素偏析严重等问题，恶化合金性能。高质量的铀合金制备技术一直是核工程材料领域研究的难点和重点。美国在铀铌合金等的制备工艺中也发现锭坯的宏观偏析和晶内偏析较为严重，合金中除了存在宏观和晶内偏析外，还存在特有的带状偏析。国内外在铀合金制备中在不同的熔炼方法及工艺下均存在较多未解决的问题，由于合金元素和铀元素的熔点相差较大，同时缺乏合金熔凝过程中合金元素的溶解规律、扩散迁移行为及形核长大机制等基础研究，合金化过程中不得不通常提高合金化温度和延长熔炼时间，使合金化充分。例如，国外的研究表明，U-Nb合金的凝固属典型的单相固溶体合金（K0>1）的凝固过程，由于具有较宽凝固区间，凝固速度慢，晶粒充分生长易形成粗大枝晶组织，枝晶芯部Nb含量高，外层含量低，导致晶内偏析。这些状况使得不同规格的U-Nb合金的制备工艺控制困难，“试错”的工艺优化方法成本高、周期长，严重限制了生产能力。因此掌握铀合金的熔解扩散行为等的机理具有重要意义，为后期优质铀合金的制备奠定基础，但目前尚无可靠的针对铀金属熔解扩散行为研究的试验装置和方法。

发明内容

本发明的目的是现有技术缺点的基础上，提出一种全新的铀金属的液固熔解扩散实验方法，解决现有的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铀金属的液固扩散实验方法，包括以下步骤：

装炉过程：将待扩散的金属棒和铀金属原料设置在一个内部环境为真空的环境内；

熔炼过程：对整个腔体进行加热，使得铀金属原料熔化为液体，并保持液体铀金属的温度；

扩散过程：保温结束后，移动液态的铀金属，使得待扩散的金属棒浸入液态铀金属中；

淬火过程：待扩散过程结束，采用液态金属对存放液体铀金属的腔体表面进行冷却淬火。

在上述技术方案中，所述熔炼过程中待扩散的金属棒与熔化后的液态铀金属相互不接触。

在上述技术方案中，铀金属熔化过程为：先预热2-6分钟进行除气，然后升高温度使铀金属原料熔化，待温度达到1200-1600℃后保持这个温度8-15分钟。

在上述技术方案中，所述铀金属熔化采用电磁加热的方式，预热的加热功率为4-10kW，熔化的加热功率为25-35kW，保温过程加热功率为10-20kW。

在上述技术方案中，所述扩散过程中，当待扩散的金属棒浸入液态铀金属中后，对整个真空腔体施加电磁场。

在上述技术方案中，所述电磁场为行波磁场和旋转磁场两者中的一种，或为二者组成的复合磁场，磁场频率为10-40Hz，电流强度为50-300A，磁场施加时间为5-60分钟。

在上述技术方案中，所述淬火过程液态铀金属从腔体的下端往上进行凝固，待温度冷却至室温后结束，所述液态合金为液态镓铟合金。