控制氮含量的U-Mo合金粉末制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于υ-Μο合金燃料元件的制造领域，具体涉及一种能够有效控制氮含量 的U-Mo合金粉末制备工艺。
【背景技术】
[0002] U-Mo合金因具有铀密度高、γ相较稳定、辐照性能优良和后处理简单等优点，已 成为研究试验堆下一代燃料的发展方向。制备出满足技术要求的U-Mo合金粉末是制造 U-Mo弥散燃料元件的先决条件。
[0003] 氮元素是U-Mo合金粉末中的一种有害杂质元素，氮含量是U-Mo合金粉的重要性 能指标，其对U-Mo合金弥散燃料板的性能有很大影响。U-Mo合金粉作为燃料板芯体中的燃 料相，其氮含量过高会降低燃料芯体的抗水腐蚀性能，容易导致燃料板在苛刻工况下失效。 因此需要对U-Mo合金粉末的氮含量进行严格控制，技术要求规定U-Mo合金粉末中氮含量 需低于150 μ g/g。
[0004] 目前国际上制备U-Mo合金粉末主要有以下三种方式：机械研磨、氢化-破碎-脱 氢（HMD)、雾化法。HMD法是制备金属粉末的常用方法，但是采用HMD法制备U-Mo合金粉末 的过程中，氮含量的控制是一个技术难题，一是因为U-Mo合金粉末化学性质活泼，在制备 过程中极易吸附氮或与氮发生化学反应；二是在采用HMD法制备U-Mo合金粉末的过程中， 需要进行两次热处理工序，而在高温下会加剧U-Mo合金与氮的化学反应。而本申请发明人 查阅国内外文献，均未见任何文献公开报道过采用HMD法制备U-Mo合金粉末时对氮含量的 控制工艺。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效控制氮含量的U-Mo合金粉末制 备工艺，使其满足技术要求。
[0006] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是： U-Mo合金粉末制备工艺，包括以下步骤： 1) 将U-Mo合金锭在保护气体的保护下送至氢化-破碎-脱氢一体化装置的氢化段内， 将所述氢化段内抽真空至真空度不低于3. 0 X 10 3Pa，充入保护气体清洗后，充氢气，在预定 的温度及压力条件下进行氢化处理； 2) 在所述氢化-破碎-脱氢一体化装置的破碎段内预烧活性金属粉以去除氮元素； 3) 将上述步骤1)中氢化后的产物U-Mo合金氢化物在保护气体的保护下移至所述破碎 段内； 4) 对所述U-Mo合金氢化物进行破碎处理，破碎时间不超过10s ; 5) 将上述步骤4)中破碎处理后的U-Mo合金氢化物粉末在保护气体的保护下移至所述 氢化-破碎-脱氢一体化装置的脱氢段内，抽真空至真空度不低于3. 0X 10 3Pa，加热进行 脱氢处理，则制备得到U-Mo合金粉末。
[0007] 其中，本发明中的步骤2)与步骤3)无先后顺序的限定，可以先进行步骤2)再进 行步骤3)，也可以先进行步骤3)再进行步骤2)，均能达到本发明所要求的效果。
[0008] 本发明所述的U-Mo合金粉末制备工艺，通过对HMD法中的各个步骤进行严格的工 艺控制，来控制最终制得的U-Mo合金粉末中的氮含量低于150 μ g/g。第一，U-Mo合金进出 氢化段以及进入脱氢段时均是在保护气体的保护下进行的，避免了在这些过程中引入空气 中的氮；第二，在破碎段内预烧活性金属粉，使渗入的微量氮与活性金属粉先反应，去除氮 元素，从而降低了破碎过程中U-Mo合金氢化物与微量氮的反应程度；第三，控制氢化及脱 氢处理时的真空度不低于3. 0X 10 3Pa，进而控制氢化及脱氢处理时气氛中的氮分子含量较 少，避免U-Mo合金在氢化和脱氢热处理过程中与微量氮发生高温反应，从而有效降低了最 终产物U-Mo合金粉末中的氮含量；第四，控制破碎时间不超过10s，减少了破碎过程中U-Mo 合金氢化物与氮元素的反应时间，从而降低了最终产物U-Mo合金粉末中的氮含量，更佳 地，所述破碎时间可优选6-10s，此时，不仅能够有效控制最终产品中的氮含量在150 μ g/g 以内，还能保证U-Mo合金所需粉末粒度，即，控制U-Mo合金粉末的粒度为44 μ m-125 μ m。
[0009] 本发明所述的U-Mo合金粉末制备工艺不仅适用于少量的U-Mo合金粉末的制备， 还适用于公斤级U-Mo合金粉末的制备。
[0010] 其中，本发明中涉及的υ-Μο合金均是指Mo含量为2wt%-12wt%的合金。Mo含量 太低，对U-Mo合金燃料的辐照稳定性有不利影响；Mo含量太高，对提高U-Mo合金燃料的铀 密度有不利影响，同时使得U-Mo合金难以氢化。
[0011] 其中，所述步骤4)中进行破碎处理时的转速可以为24000±4800r/min。
[0012] 其中，所述步骤2)中的活性金属粉为能够与氮元素发生反应的金属粉，具体如锆 粉、钛粉等等，而为了保障去除氮元素的效果，更佳地，活性金属粉应预烧至少2h，预烧时可 将活性金属粉放置在lkw的小电炉上预烧。
[0013] 其中，所述步骤1)中进行氢化处理时的工艺条件并无特别限定，本领域技术人员 可根据需要进行设定，具体地，所述步骤1)中进行氢化处理时的压力可以为〇. 3MPa。
[0014] 其中，所述步骤5 )中的脱氢处理完成后，再向所述脱氢段内充入保护气体，使得最 终制备的产品在保护气体的保护下卸料，避免卸料过程中引入空气中的氮元素。
[0015] 其中，所述保护气体为氩气，更进一步地优选纯度为99. 999%的高纯氩气。
[0016] 综上，本发明的有益效果是：本发明所述的U-Mo合金粉末制备工艺，通过对HMD 法中的各个步骤进行严格的工艺控制，来控制最终制得的U-Mo合金粉末中的氮含量低于 150 μ g/g，满足技术要求。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0018] 实施例1 氢化处理：将lkg的U-Mo合金锭装入氢化-破碎-脱氢一体化装置中的过渡舱中，对 过渡舱和保护手套箱抽真空2次后，充入99. 999%的高纯氩气，然后将U-Mo合金锭转入保 护手套箱中，再将U-Mo合金锭装入盛料舟中送进炉管（即，氢化段)中，关闭炉门。对炉管抽 真空，真空度达3 X 10 3Pa时，充入99. 999%的高纯氩气清洗炉管两次，充氢压至0. 3MPa，开 始加热氢化。
[0019] 破碎处理：氢化完成后打开炉门，将U-Mo合金氢化物取出放置在破碎段中。在破 碎段中预烧活性金属粉末(如锆粉、钛粉等）2h后，对U-Mo合金氢化物进行破碎处理，破碎 时的转速为24000±4800r/min，破碎时间为10s。
[0020] 脱氢处理：将U-Mo氢化物粉末装入盛料舟中，送进炉管（即，脱氢段）中，关闭炉 门。对炉管抽真空，真空度达3X10 3Pa时，开始加热脱氢。脱氢完成后往炉管充入99. 999% 的高纯氩气，出炉后对U-Mo合金粉末取样进行氮含量分析、粉末粒度测量并将测试结果记 录于下表1中。
[0021] 实施例2 本实施例2所示的U-Mo合金粉末与实施例1所示的U-Mo合金粉末的制备方法基本相 同，不同之处仅在于：本实施例2中的破碎时间为8s。
[0022] 实施例3 本实施例3所示的U-Mo合金粉末与实施例1所示的U-Mo合金粉末的制备方法基本相 同，不同之处仅在于：本实施例3中的破碎时间为15s。
[0023] 实施例4 本实施例4所示的U-Mo合金粉末与实施例1所示的U-Mo合金粉末的制备方法基本相 同，不同之处仅在于：本实施例4中的氢化处理及脱氢处理时的真空度为2. 0X 10 3 Pa。
[0024] 实施例5 本实施例5所示的U-Mo合金粉末与实施例1所示的U-Mo合金粉末的制备方法基本相 同，不同之处仅在于：本实施例5中的氢化处理及脱氢处理时的真空度为4. 0X 10 3Pa。
[0025] 实施例6 本实施例6所示的U-Mo合金粉末与实施例1所示的U-Mo合金粉末的制备方法基本相 同，不同之处仅在于：本实施例6中的破碎时间为6s。
从上表1中的实施例1以及实施例4-5的数据来看，可以看出，在其他工艺条件不变的 条件下，控制氢化处理及脱氢处理时的真空度不低于3. 0X 10 3Pa，能够有效控制最终产品 中的氮含量在150 μ g/g以内。
[0027] 从上表1中的实施例1、实施例2-3以及实施例6的数据来看，在其他工艺条件不 变的条件下，控制破碎时间在l〇s内，能够有效控制最终产品中的氮含量在150 μ g/g以内。
[0028] 更佳地，优选破碎时间为6-10s，此时，不仅能有效控制氮含量在150 μ g/g以内， 还能有效控制粉末粒度在44 μ m-125 μ m。
[0029] 如上所述，可较好的实现本发明。
[0030] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依 据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、 等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
【主权项】
1. υ-Μο合金粉末制备工艺，其特征在于，包括以下步骤： 1) 将U-Mo合金锭在保护气体的保护下送至氢化-破碎-脱氢一体化装置的氢化段内， 将所述氢化段内抽真空至真空度不低于3. 0X10 3Pa，充入保护气体清洗后，充氢气，在预定 的温度及压力条件下进行氢化处理； 2) 在所述氢化-破碎-脱氢一体化装置的破碎段内预烧活性金属粉以去除氮元素； 3) 将上述步骤1)中氢化后的产物U-Mo合金氢化物在保护气体的保护下移至所述破碎 段内； 4) 对所述U-Mo合金氢化物进行破碎处理，破碎时间不超过10s; 5) 将上述步骤4)中破碎处理后的U-Mo合金氢化物粉末在保护气体的保护下移至所述 氢化-破碎-脱氢一体化装置的脱氢段内，抽真空至真空度不低于3. 0X10 3Pa，加热进行 脱氢处理，则制备得到U-Mo合金粉末。2. 根据权利要求1所述的U-Mo合金粉末制备工艺，其特征在于，所述步骤4)中进行破 碎处理时的转速为24000 ±4800r/min。3. 根据权利要求1所述的U-Mo合金粉末制备工艺，其特征在于，所述步骤4)中进行破 碎处理时的破碎时间为6-10s。4. 根据权利要求1所述的U-Mo合金粉末制备工艺，其特征在于，所述步骤4)中进行破 碎处理时的破碎时间为8-10s。5. 根据权利要求1所述的U-Mo合金粉末制备工艺，其特征在于，所述步骤2)中的活性 金属粉为能够与氮元素发生反应的金属粉。6. 根据权利要求5所述的U-Mo合金粉末制备工艺，其特征在于，所述金属粉选自错粉 或钛粉。7. 根据权利要求1所述的U-Mo合金粉末制备工艺，其特征在于，所述活性金属粉预烧 至少2h。8. 根据权利要求1所述的U-Mo合金粉末制备工艺，其特征在于，所述步骤5)中的脱氢 处理完成后，再向所述脱氢段内充入保护气体。9. 根据权利要求1所述的U-Mo合金粉末制备工艺，其特征在于，所述保护气体为氩气。
【专利摘要】本发明公开了一种控制氮含量的U-Mo合金粉末制备工艺，包括步骤：1）将U-Mo合金锭在保护气体的保护下送至氢化-破碎-脱氢一体化装置的氢化段内，抽真空至不低于3.0×10-3Pa，充入保护气体清洗后，充氢气氢化；2）在破碎段内预烧活性金属粉；3）将上述氢化后的产物在保护气体的保护下移至破碎段内；4）对氢化产物进行破碎处理，破碎时间不超过10s；5）将上述步骤4）中破碎处理后的产物在保护气体的保护下移至脱氢段内，抽真空至不低于3.0×10-3Pa，加热脱氢。本发明通过对HMD法中的各个步骤进行严格的工艺控制，来控制最终制得的U-Mo合金粉末中的氮含量低于150μg/g，满足技术要求。
【IPC分类】B22F9/02, C22C28/00
【公开号】CN105328196
【申请号】CN201510729827
【发明人】陈建刚, 尹昌耕, 李传锋, 孙长龙, 刘超红, 刘云明, 刘利剑
【申请人】中国核动力研究设计院
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年11月2日