圖 1U－Nb合金試樣封裝石英管
金屬U具有獨特的核性能,是核能領域最重要的裂變材料。然而金屬U的化學性質極為活潑,與常見的氧氣、水、氫氣等極易發生化學反應[1],不僅影響其使用性能,還會帶來嚴重的安全隱患。通常采用合金化的方法獲得化學性質較為穩定的U合金,如核工程材料U－Nb合金是金屬U中添加了一定量的Nb元素,U－Nb合金的耐氧化腐蝕性、耐氫化腐蝕性較好[2],并具有較好的結構穩定性和加工性能,合金化方法極大地提升了金屬U的使用性能。
比熱容是評價材料熱性能的重要參數之一,不僅可以衡量材料的吸熱和放熱能力,還可以間接獲得材料的微觀結構、相變等信息。目前,各類材料基本性質數據庫中大部分都收錄了比熱容數據,因此對U－Nb合金比熱容等熱物理性能參數的研究工作至關重要。PARKER等[3]首次提出了采用閃光法測量材料的熱擴散系數,并結合比較法獲得材料的比熱容。NAKAMURA等[4]采用閃光法＋比較法測試了金屬U的比熱容。閃光法屬于瞬態法測試,該法基于一維導熱模型,試樣通常為薄片狀。閃光法的測試原理為：在某一恒定溫度下,激光源發射一束短脈沖激光,均勻地照射在試樣的下表面；試樣下表面吸收激光能量后溫度瞬間上升,并將能量傳遞至試樣上表面；對比待測試樣與標準試樣溫度升高的最大值,結合能量平衡方程,即可得出待測試樣的比熱容。近年來,閃光法憑借其測試范圍大、適用材料廣、溫域寬、周期短、對測試環境要求較低等優點,廣泛用于測試金屬材料的熱物理性能[5]。
Nb元素含量對U－Nb合金的顯微組織和性能影響很大。為研究Nb元素含量對U－Nb合金顯微組織和比熱容的影響規律,筆者制備出不同成分的淬火態U－Nb合金,討論了U－Nb合金顯微組織的演變過程,研究了U－Nb合金從室溫到750 ℃比熱容的變化規律。
1. 試驗材料與方法
1.1 試驗材料
在99.998%(體積分數)的高純氬氣保護下,將純度為99.90%(質量分數)的鈮絲和純度為99.99%(質量分數)的金屬U通過電弧熔煉熔化制成合金。為保證試樣成分的均勻性,每個試樣均反復熔煉4次。將熔煉獲得的試樣用石英管真空封裝(見圖1),然后在1 000 ℃下保溫24 h并進行水淬,以保證試樣成分均勻。分別制備Nb元素質量分數為2.0%,3.5%,4.5%,5.7%的4種U－Nb合金,分別編號為U－2Nb、U－3.5Nb、U－4.5Nb和U－5.7Nb。
1.2 比熱容測試方法
將U－Nb合金加工成尺寸為12.7 mm×3 mm(直徑×厚度)的薄片狀試樣,將試樣表面磨削平整,平行誤差控制為不大于0.5%。測試溫度為25～750 ℃,測試溫度間隔為50 ℃,升溫速率為10 ℃/min。測試過程全程采用氬氣保護,氬氣流量為400 mL/min。為提高試樣對激光的吸收能力,并確保測試試樣和標準試樣對激光的吸收能力相同,測試之前在試樣上、下表面各噴涂一層石墨噴霧。測試完成后,采用Cape－Lehman模型對測試數據進行擬合,得出測試試樣的溫度升高最大值,并與標準試樣進行對比,進而得出U－Nb合金的比熱容數據。
1.3 相變溫度測試
采用差式掃描量熱法(DSC)對U－Nb合金進行相變溫度測試,具體測試過程為：首先把空的氧化鋁坩堝放在測試位和參比位,得出DSC基線,基線的測試溫度為40～800 ℃,升溫速率為10 ℃/min,測試過程全程采用氬氣保護；將U－Nb合金試樣加工成尺寸為5 mm×2 mm(直徑×厚度)的小薄片,置于坩堝測試位,測試出U－Nb合金的DSC曲線,去除基線背景后即可得到U－Nb合金升溫過程中的相變溫度數據。
1.4 顯微組織形貌分析
采用激光共聚焦顯微鏡觀察U－Nb合金的顯微組織形貌。
2. 試驗結果與討論
圖2為4種U－Nb合金的顯微組織形貌。由圖2可知：U－Nb合金的顯微組織致密、均勻,Nb元素可以細化金屬U的晶粒尺寸,有助于提升材料的力學性能；當Nb元素的添加量(質量分數,下同)為2.0%時,材料的顯微組織中可觀察到大量粗針狀馬氏體；當Nb元素的添加量增加至3.5%時,馬氏體變為細針狀；當Nb元素的添加量進一步增加至4.5%時,細針狀馬氏體逐漸消失,形成了等軸晶組織。
圖 24種U－Nb合金的顯微組織形貌
圖3為4種U－Nb合金的DSC測試結果。由圖3可知：4種U－Nb合金均在溫度為600～700 ℃時發生了顯著相變；U－2Nb合金的相變溫度為659.6 ℃,U－3.5Nb合金的相變溫度為663.1 ℃,U－4.5Nb合金的相變溫度為657.7 ℃,U－5.7Nb合金的相變溫度為658.1 ℃。結合U－Nb合金的平衡相圖可知[6],U－2Nb、U－3.5Nb、U－4.5Nb合金的相組成轉變為α＋γ1,U－5.7Nb合金的相組成轉變為γ1。U－Nb合金的相變過程伴隨著熱量的變化,進而對合金的比熱容造成影響。
圖 34種U－Nb合金的DSC測試結果
圖4為4種U－Nb合金的比熱容測試結果。由圖4可知：隨著Nb元素添加量的增加,U－Nb合金的比熱容逐漸增大；當溫度為室溫至650 ℃時,U－Nb合金的比熱容隨著溫度上升而持續增大,當溫度超過650 ℃時,U－Nb合金的比熱容顯著減小。通常在晶體結構未發生變化的情況下,隨著溫度升高,比熱容會逐漸增大,這與室溫至650 ℃時U－Nb合金的比熱容變化規律相對應,而當溫度超過650 ℃時,U－Nb合金發生了相變,因此合金的比熱容突然減小。
圖 44種U－Nb合金的比熱容測試結果
3. 結論
(1) 由不同Nb元素含量的淬火態U－Nb合金的顯微組織形貌可知,U－2Nb中存在大量粗針狀馬氏體,隨著Nb元素含量的增加,馬氏體逐漸變細、變小,最終形成了等軸晶組織。
(2) 當溫度為室溫至650 ℃時,U－Nb合金的比熱容隨著溫度上升而逐漸增大。當溫度超過650 ℃時,因U－Nb合金發生相變,其比熱容顯著下降。U－2Nb、U－3.5Nb、U－4.5Nb合金的相組成轉變為α＋γ1,U－5.7Nb合金的相組成轉變為γ1。
文章來源——材料與測試網