核熱推進(jìn)鎢基CERMET燃料模擬件制備工藝研究

空間推進(jìn)系統(tǒng)是太空飛行的關(guān)鍵設(shè)備，空間推進(jìn)系統(tǒng)的推力、比沖和工作壽命直接決定著空間飛行器可執(zhí)行任務(wù)的范圍、規(guī)模和周期。目前空間推進(jìn)技術(shù)的研究方向主要包括電推進(jìn)技術(shù)、太陽(yáng)能推進(jìn)技術(shù)、激光推進(jìn)技術(shù)和核熱推進(jìn)技術(shù)。但前3種推進(jìn)技術(shù)由于具有難以克服的局限性從而使其難以滿足未來(lái)空間飛行任務(wù)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)高比沖、大推力的要求。核熱推進(jìn)技術(shù)采用核反應(yīng)堆來(lái)加熱推進(jìn)工質(zhì)，與其他推進(jìn)技術(shù)相比，具有更高的比沖，能使單位質(zhì)量工質(zhì)產(chǎn)生更大的推力。早在20世紀(jì)40年代，美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)就開展了核熱推進(jìn)系統(tǒng)（NTP）的相關(guān)研究

。在NTP項(xiàng)目中，主要研究?jī)煞N類型的核熱推進(jìn)燃料，一種為石墨基核熱推進(jìn)燃料(將UC彌散在石墨里)；另一種為難熔金屬基核熱推進(jìn)復(fù)合燃料，即CERMET燃料，這種燃料是將UO

彌散在耐高溫金屬W或合金W-Re里。與石墨基核熱推進(jìn)燃料相比，CERMET燃料具有更好的抗熱沖擊性能，更大的熱導(dǎo)率和更高高溫強(qiáng)度，且與氫氣的相容性也更好

。

近年來(lái)，NASA的馬歇爾空間飛行中心在NCPS項(xiàng)目的支持下，在總結(jié)GE710和阿貢研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)CERMET燃料開展了進(jìn)一步的研究，其主要研究?jī)?nèi)容涉及經(jīng)濟(jì)可承受且技術(shù)成熟的基體材料的確定及制備技術(shù)，全尺寸CERMET燃料組件的制造和相關(guān)性能測(cè)試等

。并計(jì)劃于近期完成燃料輻照性能測(cè)試，在2022年底完成全堆芯試驗(yàn)和飛行技術(shù)驗(yàn)證。

變頻電機(jī)同樣可以采取上述普通電機(jī)的措施切斷循環(huán)軸電流回路，來(lái)防止高頻循環(huán)軸電流的產(chǎn)生。除此之外，變頻電機(jī)還須減小或者消除1.2.2和1.2.3節(jié)中所提到的軸電勢(shì)。主要方法是將電機(jī)機(jī)座可靠接地，盡可能減小電機(jī)機(jī)座的接地阻抗，同時(shí)在轉(zhuǎn)軸上增加接地電刷。

冷壓成型是CERMET燃料的傳統(tǒng)制備方法

。NASA在2012～2014年開展了熱等靜壓制備CERMET燃料的工藝研究，并制備出了具有一定實(shí)用性的CERMET燃料樣品。為了擴(kuò)容CERMET燃料的制備方法，從2011年開始，美國(guó)空軍核能研究中心持續(xù)開展了采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制造CERMET燃料的探索性研究，并于2013年成功研制出了貧鈾-鎢錸CERMET燃料芯塊樣品。

由于技術(shù)封鎖，我國(guó)在這方面的研究還處于起步階段，研究水平較低，與國(guó)外還有較大的差距

。因此，本文基于國(guó)外相關(guān)報(bào)道，采用ZrO

作為UO

的模擬物料，對(duì)鎢基CERMET燃料的制備工藝進(jìn)行了研究，制備出了模擬CERMET燃料芯塊樣品，并對(duì)其使用特性開展了相關(guān)分析和測(cè)試，以期為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試樣制備和測(cè)試

1.1 試樣制備

將燒結(jié)后的柱形芯體件采用機(jī)加工的方式，加工成長(zhǎng)度為100mm，包含19個(gè)孔且孔徑為1.2mm的六棱柱模擬核燃料件，然后采用CVD方法在燃料件的表面上進(jìn)行了純鎢涂層實(shí)驗(yàn)。涂層操作時(shí)，先將反應(yīng)室中的六棱柱模擬核燃料件加熱到沉積溫度，然后將高純WF6（99.99%）經(jīng)加熱器加熱到沸點(diǎn)以上氣化后通入反應(yīng)室，同時(shí)，按比例通入氫氣（99.99%）進(jìn)行化學(xué)氣象沉積。沉積溫度為550℃～650℃，WF

與H

比為1：10，沉積時(shí)間為2～3小時(shí)。隨后對(duì)涂層樣品進(jìn)行應(yīng)用環(huán)境性能測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括：高溫氫氣相容性測(cè)試和熱循環(huán)損壞測(cè)試。其中，高溫氫氣相容性測(cè)試參數(shù)為：測(cè)試溫度為2000℃，氫氣流速為300L/h，氫氣壓力為0.06～0.07MPa；熱循環(huán)損壞測(cè)試參數(shù)為：在10min內(nèi)由室溫升至2000℃，然后開始降溫，在10min內(nèi)降溫至300℃以下，采用同樣的方法循環(huán)15次。

由于鎢粉與ZrO

粉之間的堆積密度比接近2：1，平均粒度比達(dá)到了6：1，為了提高兩種粉末的混合均勻性并控制團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，我們開展了不同工藝條件下的性能對(duì)比試驗(yàn)，并通過(guò)微觀形貌觀察和松裝密度比來(lái)確定最優(yōu)的球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和混料時(shí)間等工藝參數(shù)。圖2示出了球磨機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下混合4h時(shí)混合物料的表面形貌。從圖中可以看出，當(dāng)球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為250r/min時(shí)，混合物粉末的抗團(tuán)聚效果最好，ZrO

粉在鎢粉中離散性好，2種物料混合比較均勻。球磨機(jī)轉(zhuǎn)速較低和較高時(shí)，粉體都會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，物料的不均勻性增大。圖3示出了當(dāng)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為250r/min時(shí)不同球磨時(shí)間對(duì)混合粉末微觀形貌的影響。從圖中可以看出，當(dāng)球磨時(shí)間為6h時(shí)，粉體的兩相均勻性較好，而球磨時(shí)間為4h和8h時(shí)，粉體的兩相均勻性均較差。

UO

燃料的喪失過(guò)程主要包括三個(gè)階段：第一階段的損失是由表面未被包殼（涂層）覆蓋的燃料顆粒氣化引起的。這個(gè)過(guò)程可能持續(xù)2-3個(gè)循環(huán)，這個(gè)階段，添加氧穩(wěn)定劑的作用不大，這個(gè)階段的損失一般不超過(guò)4%，大多數(shù)情況下不超過(guò)2%。第二個(gè)階段是由于氧沿著晶界或微裂紋進(jìn)行擴(kuò)散至表面，并因?yàn)楸砻嫔A而引起的。損失率應(yīng)該不會(huì)急劇變化，預(yù)計(jì)會(huì)隨著在某一溫度下的時(shí)間延長(zhǎng)，損失率降低，這是因?yàn)楸砻娴念w粒被消耗掉了，內(nèi)部氧遷移需要時(shí)間。第三階段，在這一階段，燃料結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，燃料損失率急劇增大。

(1)有的教師嚴(yán)格遵循教材，上課循規(guī)蹈矩，不敢越雷池半步，生怕給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)困難，上課時(shí)“說(shuō)的說(shuō)，聽的聽”。因此，課堂氣氛沉悶。有的教師不分析教材的編寫意圖，隨意更換內(nèi)容，總想迎合新課程倡導(dǎo)的“自主探究、合作交流、師生互動(dòng)”的教學(xué)方式與課改理念，不顧學(xué)生和教學(xué)實(shí)際，“鼓勵(lì)”學(xué)生探究、合作、交流，整堂課熱熱鬧鬧、氣氛活躍，實(shí)際上學(xué)生學(xué)習(xí)漫無(wú)邊際，課后一知半解，最終造成課堂教學(xué)低效。

1.2 抗氧化涂層實(shí)驗(yàn)及性能測(cè)試

用ZrO

粉來(lái)模擬替代UO

粉，以純鎢粉（純度≥99.90%）作為基體原料，基于相關(guān)文獻(xiàn)介紹進(jìn)行原料配比。圖1示出了兩種物料的表面形貌。從圖中可以看出，2種物料均成球狀粉末顆粒，顆粒的均勻度較好，未建大顆粒物料夾雜，由于受范德華力作用，粉狀物料團(tuán)聚成大小不一的堆狀。從圖中還可以看出，鎢粉的粒徑約是ZrO

粉的6倍。采用行星式球磨機(jī)對(duì)兩種物料進(jìn)行均勻混合。混合時(shí)，行星式球磨機(jī)控制的主要工藝參數(shù)包括：混料方式、混料時(shí)間、混料轉(zhuǎn)速和球料比。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探索，最終選定的混料工藝參數(shù)如下：干混，混料時(shí)間6h，轉(zhuǎn)速250r/min，球料比為3:1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混料參數(shù)對(duì)混料效果的影響

該款新型催化劑的首次工業(yè)應(yīng)用誕生于一家亞洲石化生產(chǎn)商的臺(tái)灣苯乙烯生產(chǎn)工廠。生產(chǎn)方是一家年產(chǎn)能24萬(wàn)t的完全集成化苯乙烯單體生產(chǎn)公司。2016年5月安裝新型催化劑后，工廠迅速達(dá)到了滿負(fù)荷生產(chǎn)，并以比以往作業(yè)更低的溫度很快達(dá)到了苯乙烯單體的設(shè)計(jì)生產(chǎn)速率。此外，與之前使用的催化劑性能相比，新型催化劑選擇性提升0.4%，且比業(yè)內(nèi)對(duì)標(biāo)的催化劑展現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。

2.2 燒結(jié)芯體的組織形貌及相分析

根據(jù)上述機(jī)理分析可知，鎢基CERMET燃料的損失原理包括：表面氣化、元素沿晶界遷移等。一般來(lái)講，采用在芯塊表面噴涂W涂層來(lái)防止UO

直接與氫氣接觸的方法可以保護(hù)基體完整性從而減少UO

的喪失，延長(zhǎng)燃料的服役壽命。因此，本文也開展了W涂層研究。

2.3 涂層性能分析

有研究表明

，CERMET燃料在使用中，UO

隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸喪失。UO

燃料的喪失原因與其在鎢基體中所處的位置有關(guān)：燃料表面的UO

燃料喪失主要與UO

的蒸發(fā)有關(guān)，也與燃料通過(guò)晶界擴(kuò)散有關(guān)；燃料內(nèi)部的UO

燃料喪失機(jī)理比較復(fù)雜，一般可認(rèn)為是氫氣擴(kuò)散至燃料內(nèi)部將UO

還原為亞化學(xué)計(jì)量，冷卻后，亞化學(xué)計(jì)量的UO

又歧化為金屬U和化學(xué)計(jì)量UO

，金屬U熔點(diǎn)較低，容易沿晶界遷移，又極易在250℃左右時(shí)與氫氣反應(yīng)生成UH

，引起體積膨脹，從而導(dǎo)致燃料喪失和幾何完整性喪失。

將混合均勻的物料采用冷等靜壓成型方式加工成柱形坯。物料成型過(guò)程中所設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)包括：壓制壓力，保壓時(shí)間和升降壓速度。通過(guò)試驗(yàn)和參考相關(guān)資料，最終在壓制壓力為140MPa，保壓時(shí)間為180s，升壓速率為1.5～2MPa/s條件下，成果制備出了模擬CERMET燃料柱形樣品芯體。隨后將柱形芯體置于氫氣保護(hù)下的中頻燒結(jié)爐進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)控制的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括燒結(jié)溫度和時(shí)間。最終確定的燒結(jié)參數(shù)為：燒結(jié)溫度大于1900℃，保溫時(shí)間不低于5小時(shí)。

冬天夜宵，圍爐吃火鍋?zhàn)匀皇亲蠲?。但是北京涮鍋?zhàn)右粋€(gè)人吃總是不大對(duì)勁，還不如找鹵煮火燒。同理適用于泡饃和新疆撕馕羊肉湯。重慶的小火鍋稍好一些，重慶和成都都有喝夜啤酒的習(xí)慣，但入冬極冷，單喝啤酒牙關(guān)打戰(zhàn)，又不能像江南黃酒溫過(guò)，再放姜絲。

芯體燒結(jié)后的組織形貌對(duì)材料的使用性能具有決定性的影響，如果組織形貌不合適，CERMET燃料的使用壽命將極大縮短，燃料碎裂后將工質(zhì)的流道堵塞，同時(shí)也會(huì)極大降低CERMET燃料如工質(zhì)的換熱性能，這不僅會(huì)降低工質(zhì)的沖比，而且還會(huì)導(dǎo)致燃料局部溫度過(guò)高而燒壞熱推進(jìn)系統(tǒng)。為了對(duì)燒結(jié)后的芯體的組織形貌進(jìn)行觀察和研究，將燒結(jié)后的芯體樣品進(jìn)行取樣、鑲嵌、打磨和拋光處理后，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察和分析。所采用的光學(xué)顯微鏡設(shè)備型號(hào)為Zeiss Axio Lab.A1 MAT，標(biāo)準(zhǔn)配置及技術(shù)參數(shù)為，光學(xué)系統(tǒng)：ICCS光學(xué)系統(tǒng)，鏡體：FEM設(shè)計(jì)，ACR位置編碼，其中物鏡倍數(shù)選用5X和20X，目鏡倍數(shù)選用10X，觀察采用明場(chǎng)，光源：12V、50W鹵素?zé)?。芯體燒結(jié)后的宏觀組織形貌如圖4(a)所示，微觀組織形貌如圖4(b)所示。從圖中可以看出，采用前文所述的燒結(jié)方法和燒結(jié)參數(shù)對(duì)模擬CERMET燃料芯體進(jìn)行燒結(jié)后，芯體中金屬鎢和ZrO

兩相的混合均勻性較好，結(jié)合緊密，空洞很少，表明采用本文所確定的制備工藝和制備參數(shù)合理，可以獲得滿足使用要求的芯體。為了研究芯體燒結(jié)后組織成分的變化情況，我們對(duì)燒結(jié)體又進(jìn)行了XRD相分析，分析設(shè)備采用ARL EQUINOX 3000 X射線衍射儀。分析結(jié)果表明，在燒結(jié)后的芯體中，ZrO

單斜相占比約為56.45%，W立方相占比約為42.33%。

（1）W涂層的厚度和結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)于CERMET燃料W涂層的性能主要采用涂層厚度和結(jié)合強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行表征。首先對(duì)CVD涂覆后的樣品進(jìn)行了涂層厚度測(cè)定。厚度測(cè)定是在微觀金相照片上進(jìn)行的，通過(guò)金相顯微鏡配套電腦所帶的厚度自動(dòng)測(cè)量軟件，對(duì)W涂層的厚度進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)定時(shí)，共選取了3個(gè)具有代表性的位置，測(cè)定結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，涂層最大厚度可達(dá)414.72μm，最小厚度也達(dá)到了399.98μm，平均厚度可超400μm，與國(guó)外公布的文獻(xiàn)資料相比

，數(shù)值極為接近，表明采用本文所述的涂層方法能夠滿足使用要求。此外，為了檢測(cè)涂層的結(jié)合強(qiáng)度，采用拉脫法對(duì)涂層的結(jié)合力進(jìn)行了檢測(cè)，拉脫實(shí)驗(yàn)在機(jī)械拉脫試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，共測(cè)定了10個(gè)樣品，最終以其平均值作為結(jié)合強(qiáng)度的標(biāo)定值，測(cè)試結(jié)果表明W涂層與CERMET燃料基體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)14MPa，這樣的結(jié)合強(qiáng)度，可以對(duì)CERMET燃料形成有效的保護(hù)，在使用過(guò)程中涂層也將難以失效脫落。

（2）環(huán)境應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。在使用中，CERMET燃料的溫度可達(dá)3000K以上，且處在氫氣的環(huán)境中，為了評(píng)估模擬燃料在高溫氫氣環(huán)境下的使用壽命和保持性能穩(wěn)定的能力。我們對(duì)樣品對(duì)又進(jìn)行了高溫氫氣環(huán)境相容性試驗(yàn)和15次熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，隨后對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了微觀觀察和分析，其結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出：試樣在進(jìn)行了高溫氫氣相容性和熱循環(huán)試驗(yàn)后均產(chǎn)生了不同深度的涂層破損，但涂層沒(méi)有出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，涂層的連續(xù)性也得以保持，這表明W涂層高溫氫氣環(huán)境相容性很好，同時(shí)也具有較強(qiáng)的抗熱震能力，可以達(dá)到防護(hù)基體的目的。

本文針對(duì)目前母豬飼喂過(guò)程中存在的飼喂設(shè)備結(jié)構(gòu)不合理、飼喂方法不科學(xué)等問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)飼喂過(guò)程自動(dòng)化、飼喂下料精確化、動(dòng)物管理人性化為目標(biāo)，利用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法開發(fā)出了新型母豬精確飼喂設(shè)備。本設(shè)備解決了以往設(shè)備下料控制不精確、稱重結(jié)構(gòu)不合理和使用壽命短等問(wèn)題，進(jìn)一步體現(xiàn)了現(xiàn)代化養(yǎng)殖理念。其推廣可以有效促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，提高養(yǎng)殖者的收益，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

對(duì)樣品進(jìn)行高溫氫氣相容性及升降溫實(shí)驗(yàn)后，我們又利用EDS對(duì)涂層結(jié)合線附近涂層中的元素分布情況進(jìn)行了分析，其結(jié)果如圖7所示。從圖7中的分析結(jié)果可以看出，最高峰和次高峰示出的都是W元素，幾個(gè)低峰示出的是Zr和O元素，這表明在涂層中，物相仍然以純鎢為主，但是有少量Zr、O元素向涂層中進(jìn)行了擴(kuò)散。元素?cái)U(kuò)散這一現(xiàn)象進(jìn)一步表明，涂層和基體之間形成的是冶金結(jié)合，結(jié)合質(zhì)量和結(jié)合強(qiáng)度都有保證。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)外核熱推進(jìn)燃料發(fā)展歷史、制備工藝過(guò)程的調(diào)研和分析，結(jié)合我國(guó)的應(yīng)用需求和技術(shù)現(xiàn)狀，確定了符合我國(guó)國(guó)情的鎢基CERMET燃料的制備工藝路線和流程。采用ZrO

作為UO

的模擬物料進(jìn)行工藝研究，成功研制出了孔徑為1.2mm、長(zhǎng)度為100mm、包含19個(gè)孔的六棱柱燃料模擬件，驗(yàn)證了該工藝路線的可行性。為了延長(zhǎng)鎢基CERMET燃料的使用壽命，減少UO

的喪失，在對(duì)UO

喪失過(guò)程理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)模擬件進(jìn)行了鎢涂層實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其與高溫氫氣的相容性問(wèn)題測(cè)試，驗(yàn)證了該種涂層的有效性。

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