一種U-Pd-Ni-Si非晶合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種U-Pd-Ni-Si非晶合金及其制備方法，目的在于解決現(xiàn)有公開的鈾基非晶合金基本為二元合金、非晶形成能力普遍較差的問題，且目前公開的文獻中主要報道是這些非晶合金的磁學、光學、超導性能，未見耐蝕性能方面的研究報道，該合金包括U、Pd、Ni、Si。本發(fā)明的非晶合金是一種新型的U基非晶合金，其能夠提升U基合金的非晶形成能力，所制備的非晶合金具有強非晶形成能力。同時，試驗結果表明：該合金顯示出高腐蝕電位、大極化電阻和低腐蝕電流密度特性，具備優(yōu)越的耐腐蝕能力。
【專利說明】—種U-Pd-N1-Si非晶合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及材料領域，尤其是一種非晶合金，具體為一種U-Pd-N1-Si非晶合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002]鈾，其化學元素符號為U，是一種重要的核能材料，在核電站及其他核能項目中，具有重要應用。鈾具有強化學活性的特點，其易于與氧氣或水發(fā)生化學反應，在大氣環(huán)境下易被腐蝕，這一特點使其應用受到較大程度的限制。
[0003]為了提升鈾的耐腐蝕能力，目前通常采用的方法有以下幾種:第一種是在鈾表面涂鍍防護層，使金屬鈾與外界環(huán)境之間形成物理隔離，從而起到防腐蝕作用；第二種是通過向鈾中添加耐蝕性元素，進行合金化處理，在保持晶態(tài)結構的前提下，提高鈾材料的耐蝕性；第三種是對鈾進行非晶化處理，利用非晶結構自身所具有的成分均勻、不含第二相與沉淀相等特征，達到防腐蝕的效果。在實際的工程應用中，通過采用前兩種方法抑制鈾材料的腐蝕。然而，第一種表面防護方法存在工藝復雜、成本高的問題，且很難保證防護層的均勻性，鈾材仍然會受到局部腐蝕的困擾；采用第二種合金化方式處理鈾時，為了保證鈾的核性能，耐蝕性元素的量不能添加過多，因而限制了所得產(chǎn)品耐腐蝕性能的提高。因此，發(fā)明人嘗試對鈾材料進行非晶化處理。
[0004]最早在20世紀60年代就有關于鈾基非晶的報道，當時是輻照方法獲得，且數(shù)量很少。1982年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Elliott與美國東北大學的Giessen在期刊((Acta MetalIurgiCa》第 30 卷合作公布了 U-M (M=Fe、Mn、Co、N1、Cr、V、S1、Os、Ir、Pd)系列非晶合金，其中有些也出現(xiàn)在他們二人1978年參加在英國布賴頓召開的“Proceedingsof the 3rd international Conference on Rapid Quenching” 會議的報告中。1985 年愛荷華州立大學的Drehman與Po on在期刊《Journal of Non-Crystalline Solids》第76卷中，又較系統(tǒng)地報道了 U-Fe、U-Ni和U-Co體系的非晶形成。1996年Gambino等申請了一份關于U基非晶及其應用的專利，編號為US5534360。在該專利中，他們公布了另一系列的U-L (L=N, P，As, Sb，Bi, S，Se, Te, Po)非晶，它們具有特殊的磁性能，有望用在信息存貯介質(zhì)、光調(diào)節(jié)器、光學絕緣件上。至今，已公開報道的鈾基非晶合金基本都是二元合金，而且熱力學分析表明:它們僅有晶化溫度Tx特征，最高Tx可達790K，其中U-Pd與U-Ni非晶合金的Tx值分別為635K與599K ;但它們都沒有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg特征，這反映出它們的非晶形成能力普遍較差。此外，現(xiàn)有文獻主要報道的是這些非晶合金的磁學、光學、超導性能，耐蝕性能方面的報道未曾出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對現(xiàn)有公開的鈾基非晶合金基本為二元合金，非晶形成能力普遍較差的問題，且目前公開的文獻中主要報道是這些非晶合金的磁學、光學、超導性能，未見耐蝕性能方面研究的報道，提供一種U-Pd-N1-Si非晶合金及其制備方法。本發(fā)明的非晶合金是一種新型的U基非晶合金，其能夠提升U基合金的非晶形成能力，所制備的非晶合金具有強非晶形成能力。同時，試驗結果表明:該合金顯示出高腐蝕電位、大極化電阻和低腐蝕電流密度特性，具備優(yōu)越的耐腐蝕能力。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種U-Pd-N1-Si非晶合金，包括U、Pd、N1、Si，該合金的原子百分比成分范圍為U(9Q_y)teTO/sPdd-a) (90-y) (1+x)/3Nia(90_y) (1+x)/3Si10+y，X--0.5 0.5, y-_2 2，a〉0，Sa〈 1，并且(90-y)(2-x)/3+(l-a) (90-y) (l+x)/3+a (90-y) (1+x)/3+(1(l+y) =100。
[0007]x=0~0.3, y=-0.5~0.5, a=0.3~0.5。
[0008]該合金的典型原子百分比為U60Pd15Ni15Si10或U60Pd20Ni10Si100
[0009]前述U-Pd-N1-Si非晶合金的制備方法，包括如下步驟:
(一)熔煉:按配比稱取原料，將原料進行熔煉，熔煉結束后，冷卻至室溫，得初坯，將初坯翻轉(zhuǎn)，再按前述步驟重復熔煉2-5次，得合金錠；
(二)合金薄帶制備:將合金錠放入感應加熱甩帶爐的石英管中，將石英管抽真空后，再沖入惰性氣體進行保護,再用電磁感應加熱,使合金錠熔化,得合金熔體,將合金熔體吹到旋轉(zhuǎn)的水冷甩帶銅輪上，得合金薄帶，即產(chǎn)品。
[0010]所述步驟一中，按配比稱取原料，將原料放入非自耗電弧熔的無氧銅坩堝內(nèi)，所述無氧銅坩堝由壓力0.2^0.4MPa、流速100-150ml/s的水冷卻，再將非自耗電弧熔的熔煉室抽真空，然后再向熔煉室內(nèi)沖入0.6-1.0個大氣壓的惰性氣體進行保護，然后向非自耗電弧熔的非自耗鎢電極通電進行`熔煉，熔煉電流300-400Α，熔煉時間f 2min，熔煉結束后，等待3~10min后，冷卻至室溫，得初坯，將初坯翻轉(zhuǎn)，再重復前述步驟2_5次，得合金錠。
[0011]所述步驟二中，將合金錠放入感應加熱甩帶爐的石英管中，將石英管抽真空至5.0X 10^9.0 X 10_3Pa后，再沖入0.6-1.0個大氣壓的惰性氣體進行保護，再用電磁感應加熱，使合金錠熔化，得合金熔體，將合金熔體吹到旋轉(zhuǎn)的水冷甩帶銅輪上，得合金薄帶，即產(chǎn)品，其中，所述甩帶銅輪用壓力0.2^0.4MPa、流速13(Tl70ml/s的水冷卻。
[0012]所述惰性氣體為氬氣。
[0013] 申請人:發(fā)現(xiàn)，在圖1的U-Ni相圖中，U67Ni33 (原子百分比)是一個深共晶點成分；在圖2的U-Pd相圖中，同樣在U67Pd33附近存在一個深共晶點；在圖3的U-Si相圖中，在U9tlSiltl附近存在一個深共晶點。因此， 申請人:首先將Pd與Ni看做一種組元，設計出U2/3(Pd，Ni) 1/3成分式(與U67 (Pd，Ni) 33本質(zhì)相同)，其中Pd與Ni可以相互替代；然后將該式與Si進行組
合，設計出[U2/3 (Pd, Ni) 1/3] 90Si10 成分式，并最終得到{U(2_x)/3 [PU] (1+x)/3} 90-ySi10+y 成分式
(也可與為 U(go_y) (2-x)/3Pd(卜a) (90-y) (l+x)/3Nia(90-y) (1+x)/3^110+y ) ? 即本發(fā)明的產(chǎn)品，其中，x=-0.5^0.5，
y=_2~2，a > O，且 a < I。
[0014]本發(fā)明選用PcUNi作為主要增強耐蝕性的合金組元，選用Si作為改善非晶形成能力的合金組元，最終得到本發(fā)明的非晶合金。
[0015]本發(fā)明獲得了 U-Pd-N1-Si四元非晶合金，該合金具有明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，且表征非晶形成能力的參數(shù)GFAX).56，反映出其突出的非晶形成能力；同時，本發(fā)明的合金顯示出高腐蝕電位、大極化電阻和低腐蝕電流密度特性，具備優(yōu)越的耐腐蝕能力。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1為U-Ni相圖。
[0017]圖2為U-Pd相圖。
[0018]圖3為U-Si相圖
圖4為實施例1制備的非晶合金的熱力學參數(shù)測定結果圖。
[0019]圖5為實施例1制備的U6tlPd15Ni15Siltl非晶合金與其他金屬的電化學腐蝕性能參數(shù)對比圖。
[0020]圖6為實施例2制備的非晶合金的熱力學參數(shù)測定結果圖。
【具體實施方式】
[0021]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0022]本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0023]實施例1
U6tlPd15Ni15Siltl非晶合金的制`備與性能測試
基于 U(90-y) (2-x)/3Pd(卜a) (90-y) (1+x)/3Nia(90_y) (1+x)/3Si10+y 分子式，取 x=0，y=0 且 a=0.5，得到U6tlPd15Ni15Siltl合金(原子百分比)。將其轉(zhuǎn)換成稱量用的重量百分比為U:Pd:Ni:Si=83.81:9.37:5.17:1.65。依據(jù)此比例將U、Pd、N1、Si四種原料進行稱量，總質(zhì)量約IOgo原料純度:U>99.5%, Pd>99.9%, Ni>99.9%, Si>99.99%。
[0024]將稱取的原料混合后采用非自耗電弧熔煉爐進行熔煉。將原料放入非自耗電弧熔的無氧銅坩堝內(nèi)，該無氧銅坩堝由壓力0.2^0.4MPa、流速125ml/s的水冷卻。再將非自耗電弧熔的熔煉室抽真空到9.0 X KT3Pa以下后停止抽氣，然后再向熔煉室內(nèi)沖入0.8個大氣壓的氬氣進行保護，氬氣的純度為99.999%。然后向非自耗電弧熔的非自耗鎢電極通電進行熔煉，熔煉時間f 2min，熔煉電流300-400Α，熔煉結束后，等待3~IOmin后，冷卻至室溫，得初坯。將除坯翻轉(zhuǎn)，重復前述步驟2次，即將得到的初坯采用前述步驟熔煉2次，得到合金錠。
[0025]采用感應加熱甩帶爐進行合金薄帶制備。將合金錠裝在底部開直徑Imm小孔的感應加熱甩帶爐內(nèi)的石英玻璃管中，將石英管抽真空至9.0 X KT3Pa以下后停止抽空，再沖入
0.8個大氣壓的惰性氣體進行保護，氬氣的純度為99.999%。再用電磁感應加熱，使合金錠熔化，得合金熔體，感應電流為20Α，加熱時間f3min。然后用1.2個大氣壓的氬氣將合金熔體吹到轉(zhuǎn)速為50m/s的水冷甩帶銅輪上，得合金薄帶，即產(chǎn)品。其中，甩帶銅輪采用壓力
0.2^0.4MPa、流速 150ml/s 的水冷卻。
[0026]用X射線衍射儀分析本實施例制備的合金薄帶，結果沒有出現(xiàn)分立的明銳的衍射峰，僅有漫散射導致的饅頭峰，證明了非晶結構的形成。
[0027]用差示掃描量熱儀進行了熱力學特性測定，圖4為本實施例制備的非晶合金的熱力學參數(shù)測定結果圖。圖4中，Tg:玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；TX:晶化溫度；1\:液化溫度；GFA:表征非晶形成能力的判據(jù)，大于0.56則被認為具有強非晶形成能力；Tg是在加熱速率10K/min下獲得；τχ是在加熱速率ΙΟΚ/min下獲得J1是在加熱速率20K/min下獲得。U6tlPd15Ni15Siltl非晶的晶化溫度Tx為678K，高于U-Pd與U-Co非晶的635K與535K，且Tg達到638K，GFA為
0.61，反映出該合金的強非晶形成能力。
[0028]用電化學工作站測試了實施例1制備的非晶合金的電化學性能，圖5為U6tlPd15Ni15Siltl非晶合金與其他金屬的電化學腐蝕性能參數(shù)對比圖，其中，數(shù)據(jù)采用質(zhì)量分數(shù)為3.5%NaCl的腐蝕介質(zhì)獲得。與U6tlPd15Ni15Siltl晶體和純鈾相比，本實施例制備的U6tlPd15Ni15Siltl非晶合金的開路電位、腐蝕電位、極化電阻顯著高于U6tlPd15Ni15Siltl晶體和純鈾，而電流密度低于U6tlPd15Ni15Siltl晶體和純鈾。尤其是與鈾相比，本實施例制備的U6tlPd15Ni15Siltl非晶合金的開路電位升高了 I個數(shù)量級，極化電阻提高了 2個數(shù)量級，而腐蝕電流密度降低了 2個數(shù)量級。這也凸顯出本實施例制備的U6tlPd15Ni15Siltl非晶合金優(yōu)越的耐腐蝕能力。
[0029]實施例2
U6ciPd2ciNiiciSiltl非晶合金的制備與性能測試
基于 U(90-y) (2-x)/3Pd(卜a) (90-y) (1+x)/3Nia(90_y) (1+x)/3Si10+y 分子式，取 x=0, y=0 且 a= I/3,得到U6tlPd2ciNiiciSiici合金(原子百分比)。將其轉(zhuǎn)換成稱量用的重量百分比為U:Pd:Ni:Si=82.65:12.32:3.40:1.63。依據(jù)此比例將U、Pd、N1、Si四種原料進行稱量，總質(zhì)量約IOgo原料純度:U>99.5%, Pd>99.9%, Ni>99.9%, Si>99.99%。
[0030]將稱取的原料混合后采用非自耗電弧熔煉爐進行熔煉。將原料放入非自耗電弧熔的無氧銅坩堝內(nèi)，該無氧銅坩堝由壓力0.2^0.4MPa、流速125ml/s的水冷卻。再將非自耗電弧熔的熔煉室抽真空到9.0 X KT3Pa以下后停止抽氣，然后再向熔煉室內(nèi)沖入0.8個大氣壓的氬氣進行保護，氬氣的純度為99.999%。然后向非自耗電弧熔的非自耗鎢電極通電進行熔煉，熔煉時間f 2min，熔煉`電流300-400Α，熔煉結束后，等待3~IOmin后，冷卻至室溫，得初坯。將除坯翻轉(zhuǎn)，重復前述步驟2次，即將得到的初坯采用前述步驟熔煉2次，得到合金錠。
[0031]采用感應加熱甩帶爐進行合金薄帶制備。將合金錠裝在底部開直徑Imm小孔的感應加熱甩帶爐內(nèi)的石英玻璃管中，將石英管抽真空至9.0 X KT3Pa以下后停止抽空，再沖入
0.8個大氣壓的惰性氣體進行保護，氬氣的純度為99.999%。再用電磁感應加熱，使合金錠熔化，得合金熔體，感應電流為20Α，加熱時間f3min。然后用1.2個大氣壓的氬氣將合金熔體吹到轉(zhuǎn)速為50m/s的水冷甩帶銅輪上，得合金薄帶，即產(chǎn)品。其中，甩帶銅輪采用壓力
0.2^0.4MPa、流速 150ml/s 的水冷卻。
[0032]用X射線衍射儀分析本實施例制備的合金薄帶,證明了該合金薄帶的非晶結構。
[0033]用差示掃描量熱儀進行了熱力學特性測定，圖6為本實施例制備的非晶合金的熱力學參數(shù)測定結果圖。圖6中，Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；TX為晶化溫度；1\為液化溫度；GFA為表征非晶形成能力的判據(jù)，大于0.56則被認為具有強非晶形成能力；Tg在加熱速率IOK/min下獲得；TX在加熱速率ΙΟΚ/min下獲得；1\在加熱速率20K/min下獲得。U6tlPd2tlNiiciSiltl非晶的晶化溫度Tx為679K，高于U-Pd與U-Co的635K與535K，且Tg達到644K，GFA為0.57，反映出該合金達到強非晶形成能力的水平。
[0034]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1.一種U-Pd-N1-Si非晶合金，包括U、Pd、N1、Si，其特征在于，該合金的原子百分比成分沮圍為 U(90_y)(2_x)/3Pd(卜a)(90_y) (1+x)/3Nia(90_y) (1+x)/3Si10+y，X--0.5 0.5, y-_2 2，a〉0，且a〈l。
2.根據(jù)權利要求1所述U-Pd-N1-Si非晶合金，其特征在于，χ=0-θ.3，y=-0.5~0.5，a=0.3~0.5。
3.根據(jù)權利要求1所述U-Pd-N1-Si非晶合金，其特征在于，該合金的典型原子百分比為 U60Pd15Ni15Si10 或 U60Pd20Ni10Si10。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述U-Pd-N1-Si非晶合金的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (一)熔煉:按配比稱取原料，將原料進行熔煉，熔煉結束后，冷卻至室溫，得初坯，將初坯翻轉(zhuǎn)，再按前述步驟重復熔煉2-5次，得合金錠； (二)合金薄帶制備:將合金錠放入感應加熱甩帶爐的石英管中，將石英管抽真空后，再沖入惰性氣體進行保護,再用電磁感應加熱,使合金錠熔化,得合金熔體,將合金熔體吹到旋轉(zhuǎn)的水冷甩帶銅輪上，得合金薄帶，即產(chǎn)品。
5.根據(jù)權利要求4所述U-Pd-N1-Si非晶合金的制備方法，其特征在于，所述步驟一中，按配比稱取原料，將原料放入非自耗電弧熔的無氧銅坩堝內(nèi)，所述無氧銅坩堝由壓力0.2^0.4MPa、流速100-150ml/s的水冷卻，再將非自耗電弧熔的熔煉室抽真空，然后再向熔煉室內(nèi)沖入0.6-1.0個大氣壓的惰性氣體進行保護，然后向非自耗電弧熔的非自耗鎢電極通電進行熔煉，熔煉電流300-400Α，熔煉時間f 2min，熔煉結束后，等待3~IOmin后，冷卻至室溫，得初坯，將初坯翻轉(zhuǎn)，再重復前述步驟2-5次，得合金錠。
6.根據(jù)權利要求4所述U-Pd-N1-Si非晶合金的制備方法，其特征在于，所述步驟二中，將合金錠放入感應加熱甩帶爐的石英管中，將石英管抽真空至5.0 X 10~9.0 X 10_3Pa后，再沖入0.6-1.0個大氣壓的惰性氣體進行保護，再用電磁感應加熱，使合金錠熔化，得合金熔體，將合金熔體吹到旋轉(zhuǎn)的水冷甩帶銅輪上，得合金薄帶，即產(chǎn)品，其中，所述甩帶銅輪用壓力0.2~0.4MPa、流速130~l70ml/s的水冷卻。
7.根據(jù)權利要求4-6任一項所述U-Pd-N1-Si非晶合金的制備方法，其特征在于，所述惰性氣體為氬氣。
【文檔編號】C22C45/00GK103484797SQ201310374514
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權日:2013年8月26日
【發(fā)明者】黃火根, 劉天偉, 王英敏, 董闖, 巫祥超, 陳亮 申請人:四川材料與工藝研究所