Nb元素含量對U-Nb合金顯微組織和比熱容的影響

段麗美, 袁自立, 高 瑞, 楊振亮, 李冰清, 褚明福

(中國工程物理研究院 材料研究所, 綿陽 621900)

金屬U具有獨特的核性能,是核能領(lǐng)域最重要的裂變材料。然而金屬U的化學性質(zhì)極為活潑,與常見的氧氣、水、氫氣等極易發(fā)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(zhì)較為穩(wěn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shù)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(jié)構(gòu)、相變等信息。目前,各類材料基本性質(zhì)數(shù)據(jù)庫中大部分都收錄了比熱容數(shù)據(jù),因此對U-Nb合金比熱容等熱物理性能參數(shù)的研究工作至關(guān)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(shù),并結(jié)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(tài)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(fā)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(jié)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?qū)挕⒅芷诙?、對測試環(huán)境要求較低等優(yōu)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(guī)律,筆者制備出不同成分的淬火態(tài)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(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在99.998%(體積分數(shù))的高純氬氣保護下,將純度為99.90%(質(zhì)量分數(shù))的鈮絲和純度為99.99%(質(zhì)量分數(shù))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(zhì)量分數(shù)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。

圖1 U-Nb合金試樣封裝石英管

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)。

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(jié)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(zhì)量分數(shù),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?yōu)榧氠槧?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2 4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(jié)果。由圖3可知：4種U-Nb合金均在溫度為600～700 ℃時發(fā)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(jié)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(zhuǎn)變?yōu)棣?γ1,U-5.7Nb合金的相組成轉(zhuǎn)變?yōu)棣?。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3 4種U-Nb合金的DSC測試結(jié)果

圖4為4種U-Nb合金的比熱容測試結(jié)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(xù)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(jié)構(gòu)未發(fā)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(guī)律相對應,而當溫度超過650 ℃時,U-Nb合金發(fā)生了相變,因此合金的比熱容突然減小。

圖4 4種U-Nb合金的比熱容測試結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 由不同Nb元素含量的淬火態(tài)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(fā)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(zhuǎn)變?yōu)棣?γ1,U-5.7Nb合金的相組成轉(zhuǎn)變?yōu)棣?。