[发明专利]一种耐腐蚀的高强度中子屏蔽合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐腐蚀的高强度中子屏蔽合金材料，该合金材料由以下质量百分数的元素组成：Hf 49％～51％，余量为Zr及不可避免的杂质；本发明还提供了一种制备耐腐蚀的高强度中子屏蔽合金材料的方法，该方法将海绵锆和海绵铪进行混合，然后进行压制和真空自耗电极熔炼，得到合金铸锭，将合金铸锭依次进行机械加工和倒角，然后进行三火次锻造，得到锻造后的合金铸锭，将锻造后的合金铸锭进行热处理，然后冷却，得到合金材料。本发明以Zr为基体，以Hf为主要合金元素，通过真空自耗电极熔炼和三火次锻造制备了合金材料，制备的合金材料物相单一，组织均匀，具有优异的中子屏蔽性能和优异的强度，同时具有极高的耐腐蚀性和可加工性能。

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种耐腐蚀的高强度中子屏蔽合金材料及其制备方法。

背景技术

核燃料在堆内经过中子轰击发生核反应、燃耗深度达到卸料标准后须从堆内卸除，成为乏燃料。乏燃料中仍含有大量未用完的可增值核素、易裂变核素以及其它裂变产物，且具有极强放射性活度，处理难度大、成本高。核乏燃料后处理等核化工用耐蚀材料是防止腐蚀性、放射性物质进入环境的第一道屏障，是后处理等核化工设备安全运行的基本前提。

Zr合金凭借其优异的耐沸腾硝酸等强酸的腐蚀性，被广泛应用于核乏燃料后处理等核化工关键设备的制造。但是，核乏核燃料中包含有大量的放射性元素，具有中子辐射，如果不加以妥善处理，会严重影响环境与接触它们的人的健康。Zr合金本身并不具备中子屏蔽能力。

常用的中子屏蔽材料包括石墨、碳化硼、含硼不锈钢、聚乙烯等。然而，这些材料一方面无法满足沸腾硝酸等强腐蚀环境中的耐腐蚀性能要求，另外相比于金属或合金，在力学性能方面也无法满足核乏燃料后处理等核化工设备的制造要求。

人们迫切希望获得一种兼具中子屏蔽性能、耐腐蚀性和优异力学性能的新型合金材料，并掌握其制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种耐腐蚀的高强度中子屏蔽合金材料。该合金材料以Zr为基体，以Hf为主要合金元素，制备了合金材料，制备的合金材料物相单一，组织均匀，具有优异的中子屏蔽性能和优异的强度，同时具有极高的耐腐蚀性和可加工性能。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种耐腐蚀的高强度中子屏蔽合金材料，其特征在于，该合金材料由以下质量百分数的元素组成：Hf 49％～51％，余量为Zr及不可避免的杂质；所述不可避免的杂质包括碳、氮、氢和氧，所述碳的质量百分数小于0.05％，所述氮的质量百分数小于0.025％，所述氢的质量百分数小于0.005％，所述氧的质量百分数小于0.16％，所述合金材料的室温拉伸屈服强度大于600MPa，抗拉强度大于700MPa，断后伸长率大于16％，在沸腾的浓度为6mol/L的硝酸溶液中腐蚀速率小于0.01mm/a。

上述的一种耐腐蚀的高强度中子屏蔽合金材料，其特征在于，该合金材料由以下质量百分数的元素组成：Hf 50％，余量为Zr及不可避免的杂质。

本发明以Zr为基体，以Hf为主要合金元素，制备了合金材料，由于Hf的中子有效吸收截面较高，将Hf添加到Zr中制成合金材料，合金材料中的Hf元素仍然具备原有的中子屏蔽性能，因此制备的合金材料的中子屏蔽性能十分优异；Zr与Hf为无限互溶元素，将Zr与Hf制备成合金材料后，形成的合金材料物相单一，组织均匀，Hf原子以置换原子的形式置换Zr原子的位置，形成置换型固溶体，产生固溶强化效果，形成置换型固溶体后，由于Hf与Zr原子尺寸的差异，合金中出现局部点阵畸变，进而增大了位错运动的阻力，使得滑移、孪生等塑性变形难以进行，进而提升了合金材料的强度；Zr与Hf在硝酸溶液中容易发生钝化，其表面会自发形成一层纳米级保护性氧化膜，该氧化膜极为致密，能有效避免硝酸溶液与金属的直接接触，进而提升了合金材料的耐腐蚀性；本发明通过控制合金材料中的杂质元素，保证了合金材料具有优异的耐腐蚀性能与可加工性能，提升了合金材料的中子屏蔽性能和力学性能。