本發(fā)明屬于金屬材料制備，具體而言，涉及一種高均勻性鋯合金鑄錠的制備方法及其應用。

背景技術(shù)：

1、鋯合金作為一種重要的戰(zhàn)略材料，被譽為“原子能時代的第一金屬”，由于其具有熱中子吸收截面小，較好的耐腐蝕性能及機械性能，在核能領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如在核反應堆中，鋯合金被廣泛用于制造燃料包殼等關(guān)鍵部件，其低熱中子吸收截面的特性，使得核反應能夠更高效、穩(wěn)定地進行，有效提升了能源利用效率。同時，其出色的耐腐蝕性能使其能夠在高溫、高壓且具有強腐蝕性的核反應堆環(huán)境中長時間穩(wěn)定運行，極大地保障了核反應堆的安全可靠性。

2、目前，國內(nèi)外成熟使用的以及正在科研中的鋯合金牌號眾多，不同牌號的鋯合金包含不同種類、不同含量且具有不同物理性能的合金元素。每一種合金元素的精準控制都存在一定的技術(shù)難度，例如熔點較低的sn或al元素，熔點較高的nb、mo、ta、w或c元素，氣體元素o，以及熔點適中的ge、cu、si、ni、y、fe、ti、v、cr或hf元素，這些合金元素通常通過熔煉方法加入到鋯合金中。然而，在鋯合金鑄錠的制備過程中，往往存在鑄錠內(nèi)部成分不均勻的問題，嚴重影響后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

3、造成這種不均勻的原因在于，當前鋯合金的熔煉主要采用真空自耗電弧熔煉法，盡管該熔煉技術(shù)相對成熟，但實際操作中，存在合金原料粒度、形狀及類型選擇不當，電極壓制時布料不合理，以及熔煉工藝參數(shù)設(shè)定不理想等情況，導致最終制備的鑄錠化學成分分布不均，難以達到高均勻性的嚴格要求，進而對后續(xù)工序產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不利影響。為滿足核能領(lǐng)域關(guān)鍵部件對于高均勻性產(chǎn)品的迫切需求，亟待開發(fā)一種高均勻性鋯合金鑄錠的制備方法。

4、有鑒于此，特提出此發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種高均勻性鋯合金鑄錠的制備方法及其應用，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中因合金原料粒度、形狀及類型選擇不當，電極壓制時布料不合理，以及熔煉工藝參數(shù)設(shè)置欠佳等諸多原因，致使最終制備的鑄錠出現(xiàn)成分不均勻的狀況，難以滿足核能領(lǐng)域關(guān)鍵部件對高均勻性產(chǎn)品需求的問題。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的：

3、一方面，本發(fā)明提供的一種高均勻性鋯合金鑄錠的制備方法，包括以下步驟：

4、步驟一、原材料籌備

5、根據(jù)目標鋯合金鑄錠名義成分籌備原材料，所述原材料包括海綿鋯和合金原料，所述合金原料的成分包括以下四類中的一種或多種：i類為低熔點元素sn或al；ii類為高熔點元素nb、mo、ta、w或c；iii類為熔點處于i類和ii類之間的元素ge、cu、si、ni、y、fe、ti、v、cr或hf；iv類為o；

6、步驟二、原材料配給

7、根據(jù)目標鋯合金鑄錠配料計算值，并按單個電極塊重量進行配料計算，同時根據(jù)合金原料的添加方式，確定單個電極塊所需海綿鋯及合金原料的重量；

8、步驟三、電極制備

9、首先將步驟二配給后的海綿鋯平均分成n份，并將配給后的合金原料等分成n-1份；然后將n-1份合金原料與n份海綿鋯相互交錯布置在壓機模腔中，形成層疊結(jié)構(gòu)；最后將布置好的物料壓制得到電極塊，并將所述電極塊焊接成自耗電極；

10、其中，n為大于或者等于2的自然數(shù)；

11、步驟四、鑄錠熔煉

12、將步驟三所得的自耗電極采用換向的穩(wěn)弧電流進行至少兩次真空自耗電弧熔煉，即得到目標鋯合金鑄錠。

13、進一步地，步驟二中，所述四類合金原料分別通過如下方式添加：

14、i類合金原料通過含sn或al的合金予以添加；

15、ii類合金原料通過純單質(zhì)或者含對應元素的化合物進行添加；

16、iii類合金原料采用純單質(zhì)添加；

17、iv類合金原料借助含o的化合物添加；

18、其中，所述ii類合金原料或iv類合金原料以化合物方式添加時，所述化合物引入的雜質(zhì)元素含量不應超過目標鋯合金鑄錠對所述雜質(zhì)元素含量的上限值。

19、進一步地，步驟2中，所述i類合金原料包括zr-sn、zr-al或zr-sn-al中間合金；

20、所述ii類合金原料為對應的化合物時，包括zr-nb、almo、alta、wo3或cr3c2；所述化合物almo、alta、wo3或cr3c2中引入相應的al、o、cr元素含量不應超過目標鋯合金鑄錠對al、o、cr元素含量的上限值。

21、所述iv類合金原料包括zro2。

22、進一步地，所述i類合金中zr-sn、zr-al或zr-sn-al中間合金均呈球體塊狀；

23、所述ii類合金原料為純單質(zhì)時，其呈粉末狀，且粉末粒度小于或者等于30μm；所述ii類合金原料為對應的化合物時，zr-nb為屑狀，almo、alta、wo3或cr3c2為粉末狀或顆粒狀；

24、所述iii類合金原料的形狀為箔狀、片狀、粒狀、塊狀、屑狀或粉末狀；

25、所述iv類合金原料為zro2粉末。

26、進一步地，在布置合金原料前，在所述合金原料下層鋪設(shè)一層鋯箔，布置完成后，在所述合金原料上層再鋪設(shè)一層鋯箔，且鋪設(shè)的每層所述鋯箔橫截面尺寸應與壓機模腔橫截面尺寸相同。

27、進一步地，步驟三中，當n＝2時，原料包括兩份海綿鋯、一份合金原料以及兩層鋯箔，具體交叉布置并形成的層疊結(jié)構(gòu)如下：

28、先將一份海綿鋯鋪設(shè)在壓機模腔的最底層；然后在所述海綿鋯的上表面上鋪設(shè)一層鋯箔，并在所述鋯箔上布置一份合金原料；最后將另一層鋯箔鋪設(shè)在所述合金原料上，并將另一份海綿鋯鋪設(shè)在最頂層。

29、需要說明的是，由于鋯箔的重量極其輕微，這表明其在整個鋯合金鑄錠制備體系中所占的重量比例極小，以至于對整體重量的影響幾乎可以忽略不計，因此，在實際配料過程中，其重量完全可不予以考慮。此外，所加入的鋯箔相對于目標鋯合金鑄錠而言，不僅不會引入任何雜質(zhì)，而且也不會對最終產(chǎn)品的純度和質(zhì)量產(chǎn)生任何負面作用。

30、進一步地，步驟三中，所述合金原料布料時，首先布置中間合金塊體，接著布置非屑狀原料，最后布置屑狀原料，布置的所有原料距離壓機模腔邊緣距離大于或者等于30mm；其中，在布置粉末狀原料時，應將配給后的兩種以上粉末原料混合均勻。

31、進一步地，所述步驟四中，當自耗電極采用換向的穩(wěn)弧電流進行三次真空自耗電弧熔煉時，具體熔煉過程如下：

32、第一次真空自耗電弧熔煉的鑄錠直徑為ф220mm～ф360mm，穩(wěn)弧電流為3a～6a，換向時間間隔為20s～40s；

33、第二次真空自耗電弧熔煉的鑄錠直徑為ф280mm～ф450mm，穩(wěn)弧電流為5a～8a，換向時間間隔為20s～40s；

34、第三次真空自耗電弧熔煉的鑄錠直徑為ф360mm～ф550mm，穩(wěn)弧電流為7a～10a，換向時間間隔為20s～40s。

35、進一步地，所述步驟四中，在第三次熔煉末期進入補縮階段時，補縮階段的穩(wěn)弧電流為4a～6a，換向時間間隔為20s～40s。

36、另一方面，本發(fā)明提供的一種高均勻性鋯合金鑄錠的應用，所述高均勻性鋯合金鑄錠基于上述所述的制備方法制備得到，所述高均勻性鋯合金鑄錠用于制備核燃料結(jié)構(gòu)件，例如核燃料包殼。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

38、本發(fā)明提供的制備方法，相對現(xiàn)有鋯合金鑄錠制備技術(shù)主要從以下幾個方面做出了改進：

39、一是本發(fā)明在合金原料分類與添加方式上進行了創(chuàng)新優(yōu)化，有效解決了因合金元素特性差異導致的鑄錠成分不均勻問題，提高了鑄錠的化學均勻性。例如，對于低熔點的i類元素(如sn、al)，選用中間合金(zr-sn、zr-al或zr-sn-al)，提高其熔點和改變物理性能，極大增強鑄錠中元素的均勻性；對于高熔點的ii類金屬(nb、mo等)有純單質(zhì)和化合物兩種添加途徑，保證充分熔解與成分均勻；對于熔點適中的iii類合金直接以純單質(zhì)添加，物料形狀多樣，提高生產(chǎn)效率；對于iv類氣體元素o則選用zro2粉末。即采用不同的添加方式和原料形態(tài)，使得各種元素在熔煉過程中能夠更均勻地分布。

40、二是本發(fā)明在電極制備環(huán)節(jié)獨具匠心，特別是海綿鋯與合金原料的交叉層疊布置以及鋯箔的使用，確保物料均勻分布于自耗電極中，為鑄錠成分均勻奠定基礎(chǔ)。具體理由如下：實驗表明，采用海綿鋯夾合金原料的布置方式，既保證成分均勻又提升布料效率；同時合金原料底部和頂部鋪設(shè)與壓機模腔橫截面尺寸相同的鋯箔，分別避免壓制時底部漏料和頂部沖擊導致的風險，降低成分偏差；此外按照特定順序布料(先中間合金球體，再非屑狀原料，最后屑狀原料)，便于均勻擺放與調(diào)整，控制原料距模腔邊緣不小于30mm，保證軸向均勻分布，預留移動距離，防止壓制時物料損失。

41、三是本發(fā)明在熔煉工藝上取得突破，通過多次熔煉和精確控制穩(wěn)弧電流及換向時間間隔，進一步提高了鑄錠的均勻性和質(zhì)量。這是因為定時切換穩(wěn)弧電流攪拌方向，削弱動量積累，降低熔池深度，縮短液相存在時間，提高凝固速度，減少溶質(zhì)遷移與元素偏析，加強熔液對流，促進液相成分和溫度均勻；同時隨著熔煉次數(shù)增加，錠型變大，逐步提高攪拌磁場強度，使合金元素充分均勻化；此外補縮階段，因縮孔周圍等軸晶區(qū)偏析嚴重，隨著熔池深度及熔池橫截面積的減小，降低穩(wěn)弧電流，減少固相流動與偏析，進一步促進合金元素均勻化。

42、綜上所述，本發(fā)明通過對合金原料分類與添加、電極制備方式以及熔煉工藝的全方位創(chuàng)新改進，顯著提高了鋯合金鑄錠的成分均勻性，為核能領(lǐng)域提供了高質(zhì)量的材料基礎(chǔ)和技術(shù)支持。