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U-Nb合金相圖構建研究進展

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-04-30 訪問數:

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U-Nb合金是重要的核材料,目前U-Nb合金的力學和腐蝕性能還有進一步提升的空間。要深入認識U-Nb合金問題的科學本質,進而通過合金成分的優化設計、制造工藝的合理調控來改善已有合金的性能,或是開發高性能鈾合金材料,U-Nb合金的相圖都是必不可少的基礎。美國和前蘇聯在20世紀50年代就建立了基于實驗的U-Nb合金相圖,二者仍存在不少差異。我國一直以來都沒有系統建立基于實驗數據的U-Nb合金相圖,在長期的U-Nb合金研制生產過程中,主要參考美蘇公開報道的相圖數據,其完整性、可靠性和針對性方面都難以保證。本文采用實驗和計算相結合的方法研究了U-Nb合金凝固組織、結構,獲得了不同Nb含量U-Nb合金凝固序列、淬火態亞穩相結構。

1  U-Nb合金樣品熔煉制備

一共設計了十多種不同Nb含量的U-Nb合金,采用99.95%U原料和99.97%Nb原料,采用電弧熔煉的方法進行熔煉制備,熔煉后樣品的合金成分和設計成分相符,其C含量小于12010-6。不同Nb含量U-Nb合金設計成分、實際熔煉成分和C含量如表1所示。圖1顯示了系列U-Nb合金的宏觀形貌和截面形貌。

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2  系列U-Nb合金凝固序列

在電弧熔煉時,樣品上兩邊的熱過程是對稱的,因此我們主要分析樣品中間部分的凝固組織,見圖2(a)。圖2(b)是不同Nb含量樣品的凝固組織局部放大,當Nb原子分數為0~20%時,隨合金元素增加,凝固組織從等軸晶逐漸轉變為樹枝晶。其組織從等軸晶向樹枝晶轉變的主要原因是,隨Nb含量增加U-Nb合金凝固區間增大所導致的。

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依據擴散界面模型的非線性預處理,弱化了相場模型對界面處網格尺寸的苛刻要求,建立了高效率大尺度模擬用的多晶相場模型,實現了U-Nb合金從原子尺度材料本征屬性到介觀尺度組織演化的跨尺度集成計算,如圖3所示。計算得到了與實驗近似一致的凝固組織演化過程,揭示了不同成分U-Nb合金凝固組織生長動力學、微觀偏析形成特點和演化機制。從模擬結果可以看出,在相同的冷卻條件下,當Nb元素含量較低時,合金凝固區間狹窄,晶粒主要為球晶,晶粒相對細小。當Nb元素含量增加至5%以上時,合金凝固區間比較大,熔體成分過冷明顯,枝晶比較發達,晶粒相對比較粗大。這是目前報道的最大尺度的相場模擬計算結果。

4是對不同Nb含量凝固態樣品進行XRD分析的結果,可以看到隨Nb含量增加,鑄態微觀結構發生a′→a″→g0+g1g2的轉變,結合金相和XRD分析,獲得了不同Nb含量合金的凝固序列。不同Nb含量樣品的凝固序列如下:0.5NbL→g,gb,ba;2-5NbL→g,gg+b,ba,γga;7-12NbL→g,gg+b,ba,ga;14-20NbL→g,gg1+ g2,ga,g1g°;30-40NbL→g,gg1+g2,g1g0;80NbL→g2。

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3  系列U-Nb合金淬火態亞穩相組織和結構

通過XRD和中子衍射分析了淬火態的相組成[5(a)],并將結果與國外數據進行對比。結果顯示,本文的實驗數據趨勢與國外的趨勢一致,并且a″+a0相區的結果更精細。對比XRD和中子衍射的數據,中子衍射的峰形更好,細節更多,因此采用中子衍射的數據進行晶格參數精修??梢钥吹诫SNb含量的變化其晶體結構和晶格參數的變化趨勢,圖5(a)。不同Nb含量U-Nb合金主要涉及4個相,a相:正交,a相:單斜,a0相:四方,a1相:體心立方。對不同Nb含量淬火態樣品的微觀組織進行分析,如圖5(b)所示,隨Nb含量變化,其微觀組織發生孿晶a0.5Nb針狀a2-5Nb板條a5.7Nb板條a10-16Nba016-20Nba130-40Nba280Nb)的轉變。

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