专利名称：一种无裂纹锆合金的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于金属储氢材料领域，涉及一种无裂纹储氘锆合金的制备工艺。
背景技术：
随着人们对能源需求的日益增加，核能源已成为世界各国尤其是中国发展能源的主要途径之一。伴随着核电站事故的频繁发生，如前苏联的切尔诺贝利核电站以及日本福岛核电站相继发生核泄漏，人们对核能的使用产生了怀疑。在此背景下，另一种核能形式，核聚变能，又重新回到人们的视线。它是通过氘和氚原子的融合来释放能量的，不仅释放的能量巨大，远大于核裂变产生的能量，而且，由于反应条件苛刻，在外部条件稍有改变时即可自行停火，因此安全可靠，并且由于融合产物中没有放射性物质，因此清洁无污染，加之其资源储量丰富、产能高、经济效益好等，被认为是最具发展潜力的一种新能源形式。在核聚变过程中，氘气是其主要的燃烧原料之一，对其的要求是供给时密度大，而储存和运输时不泄露，设备简单操作易行。在这种情况下，固态材料储氘，即利用金属氘化物储氘比气态或液态储氘更占据优势，它不仅室温储存密度高，方便可靠，不易泄露，而且加热时可迅速释放氘气，满足了使用要求，并且在运转期间还可以实现氘气的选择性回收和释放，具有显著的优势，尤其是在激光聚变燃料靶以及某些核武器靶的应用中，更需要固态材料储氘。目前可用于固态储氘的材料常有以下几类:金属铀及其合金(U、UZr0.29),ZrCo化合物(ZrCo，Zr (AlCo)2, Zr (AlFe)2)、金属钛及其合金(T1、TiZrMn2)、金属锆及其合金(ZrV2、Ua31ZrHh6,、ThZr2HxX文献[I](帅茂兵，铀合金的氢化特性和氢化处理研究[D],四川:中国工程 物理研究院，2001:64-71)报道了铀合金的储氢/储氘性能，最高储氘量为2.88%，其储氢或氘后出现了不同程度的粉化问题，而合金中少量锆的样品粉碎较轻，因此锆具有抗粉碎的作用；文献[2] (Huang H G, Dong P，Yin C，Zhang P C，Bai B, Dong C.Charaeterization and hydrogen absorption at low temperature ofsuction-cast Ti45Zr38Ni17 quasi crystal line alloy [J].1nternational Journal ofHydrogen Energy, 2008; 33 (2): 722-727.)与文献[3](黄火根.T1-Zr-Ni (-Pb) 二十面体准晶的形成与储氘特性研究[D].四川:中国工程物理研究院，2011:38-64.)报道了钛合金储氣特性，储氣量为2.2% (mass%),实验结果显示,该合金一次吸氣饱和后即完全粉化，其颗粒大小不一，最大的粒径约1mm。文献[4] ( S.H.Yun, S.Cho, M.Chang, Estimationof Thermophysical Properties in Massive ZrCoHx System, Fusion Science andTechnology, 56 (2) (2009) 867-872.)与文献[5] (N.Bekris, U.Besserer, Μ.Sirch,R.D.Penzhorn, On the thermal stability of the zirconium/cobalt hydrogen system,Fusion Engineering and Design, 49-50 (2000) 781-789.)报道 ZrCo 也存在着粉化现象，其储氘后的体积膨胀可达20%左右，从而造成锆合金的开裂，使得块体的氘(氢)化锆难于制备。本发明具有以下优点:工艺简单、成本低廉、储氘量高、表面无裂纹。与文献[I]相t匕，锆合金储氘既克服了铀合金的放射性，又继承了铀的优点，并且本发明中的锆合金吸氘后无裂纹。与文献[2]、[3]相比，该文献中的储氘量为2.2% (mass%)，本发明中的合金储氘量达到4.0% (mass%)，并且无裂纹，与文献[4]、[5]相比，本发明中制备了无裂纹的锆合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备无裂纹储氘锆合金的新工艺，本发明工艺简单、成本低廉、储氘量高、表面无裂纹。本发明的具体内容如下:
一种无裂纹锆合金的制备工艺，是以一种工业用锆合金作为原料，在一定温度和压力范围内进行一定时间的吸氘反应，然后以一定的冷却速率降温到一定温度后炉冷，得到储氣量在2.39Γ4.0% (mass%)的无裂纹错合金,具体包括如下步骤:
1)将锆合金加工成一定形状和尺寸的样品，机械研磨和抛光后，用无水乙醇清洗；
2)将样品放入样品室中；
3)将样品室抽真空，达到10-3Pa；
4)将样品室加热到所需的反应温度；
5)待样品室温度到达反应温度后，充入一定压力的氘气，进行吸氘反应；
6)吸氘反应20 40分钟后，以一定的速率降温，降至一定温度后进行炉冷。进一步的所述样品室加热到温度为700°C ^950°C ；
进一步的，所述步骤5)中吸氘反应的压力范围为0.04MPa^0.3MPa ；
进一步的，所述步骤5)中吸氘反应的温度范围为700°C ^950°C ；
进一步的，所述步骤5)中吸氣反应的时间范围为20min"40min ；
进一步的，所述步骤6)中降温速率为0.5V /min^rC /min;
进一步的，所述步骤6)中其所述降温所到的温度范围为500°C ^600oC ；
进一步的，所述的工业用错合金为原子能级纯错、Zr-2、Zr-4、以及错铜合金中的任一
种；
进一步的，所使用的原子能级纯错、Zr-2、Zr-4均为工业错合金；
进一步的，所使用的锆铜合金中铜的质量分数为(Γιο%。
图1是本发明的总体工艺流程 图2是无裂纹Zr-4储氣错合金的低倍示意 图3是无裂纹Zr-4储氣错合金的SEM示意图。
具体实施例方式通过下述实施例能更好的理解本发明，但实施例并不用来限制本发明。实施例1 将为原子能级纯锆加工成直径为8_，厚度为Imm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10_3Pa。样品室加热到反应温度950°C后，充入0.04atm的氣气,进行吸氣反应。保温20min后，以0.5°C /min速率降温，降至一定温度500°C后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为2.7% (mass%)的无裂纹储氘锆合金。实施例2
将Zr-2加工成直径为8mm，厚度为Imm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10 3Pa。样品室加热到反应温度900 C后，充入Iatm的氘气，进行吸氘反应。保温30min后，以0.5°C /min速率降温，降至一定温度500°C后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为3.5 (mass%)的无裂纹储氘锆合金。实施例3
将Zr-4加工成直径为8mm，厚度为Imm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10_3Pa。样品室加热到反应温度850°C后，充入2atm的氣气,进行吸氣反应。保温40min后，以1°C /min速率降温，降至一定温度500°C后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为4.0% (mass%)的无裂纹储氘锆合金，图2为该合金的低倍示意图，图3为500倍的SEM示意图。实施例4
将锆铜合金(铜的质量分数为1%)加工成直径为8mm，厚度为Imm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10_3Pa。样品室加热到反应温度800°C后，充入3atm的氘气，进行吸氘反应。保温30min后，以0.5°C /min速率降温，降至一定温度600°C后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为3.8% (mass%)的无裂纹储氣错合金。实施例5
将锆铜合金(铜的质量分数为10%)加工成直径为8mm，厚度为Imm的小圆片，在砂纸上打磨光滑，用无水乙醇清洗。样品放入样品室后，将样品室抽真空至10_3Pa。样品室加热到反应温度700°C后,充入2atm的氣气,进行吸氣反应。保温40min后，以1°C /min速率降温，降至一定温度500°C后进行炉冷至室温，取出样品，得到储氘量为3.0% (mass%)的无裂纹储氣错合金。
权利要求
1.一种无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于:以一种工业用锆合金作为原料，在一定温度和压力范围内进行一定时间的吸氘反应，然后以一定的冷却速率降温到一定温度后炉冷，得到储氣量在2.39Γ4.0% (mass%)的无裂纹错合金,具体包括如下步骤: 1)将锆合金加工成一定形状和尺寸的样品，机械研磨和抛光后，用无水乙醇清洗； 2)将样品放入样品室中； 3)将样品室抽真空，达到10_3Pa； 4)将样品室加热到所需的反应温度； 5)待样品室温度到达反应温度后，充入一定压力的氘气，进行吸氘反应； 6)吸氘反应20 40分钟后，以一定的速率降温，降至一定温度后进行炉冷。
2.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤5)中吸氘反应的压力范围为0.04MPa"0.3MPa。
3.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤5)中吸氘反应的温度范围为700°C、50°C。
4.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤5)中吸氣反应的时间范围为20min 40min。
5.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤6)中降温速率为 0.50C /min^rC /min。
6.根据权利要求1所述的的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤6)中其所述降温所到的温度范围为500°C飞00°C。
7.根据权利要求1所述的的方法，其特征在于:所述的工业用锆合金为原子能级纯锆、Zr-2、Zr-4、以及锆铜合金中的任一种。
8.根据权利要求7所述的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于:所使用的原子能级纯锆、Zr-2、Zr-4均为工业锆合金。
9.根据权利要求7所述的无裂纹锆合金的制备工艺，其特征在于:所使用的锆铜合金中铜的质量分数为(Γιο%。
全文摘要
本发明属于金属储氢材料领域，涉及一种无裂纹储氘锆合金的制备工艺。其特征在于以一种工业用锆合金作为原料，在一定温度和压力范围内进行吸氘反应，然后以一定的冷却速率降温到一定温度后炉冷，得到储氘量在2.3%~4.0%(mass%)的无宏观裂纹的锆合金。本发明工艺简单、成本低廉、储氘量高、表面无裂纹。本发明的储氘锆合金在核融合反应、机载舰载激光武器、轻水反应堆核燃料棒以及民用方面的示踪元素、中子散射及核磁共振等国防和核能工程领域具有较广阔的前景。
文档编号C22C16/00GK103205603SQ201310143639
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者宋西平, 窦娜娜, 杨云, 马明旺, 向伟 申请人:北京科技大学